Batteries tout solide, une conception de batterie composée de tous les composants solides, ont attiré l'attention en tant que prochaine avancée majeure au-delà des batteries lithium-ion en raison de leur potentiel à stocker plus d'énergie tout en étant plus sûrs à utiliser. Lorsqu'elles peuvent être produites en quantités commerciales, les batteries à l'état solide révolutionneraient les véhicules électriques (VE) en augmentant efficacement l'autonomie de conduite ou en diminuant considérablement le volume et le poids.

Pourtant, les batteries à semi-conducteurs peuvent échouer après un cycle (charge et décharge répétées) à des courants pratiques, qui a été l'un des obstacles empêchant leur commercialisation de masse.

Dans un nouvel article publié par Matériaux naturels , intitulé "Critical Stripping Current Leads to Dendrite Formation on Plating in Lithium Anode Solid Electrolyte Cells, " Les chercheurs de la Faraday Institution de l'Université d'Oxford ont fait un pas en avant dans la compréhension des mécanismes par lesquels les batteries à semi-conducteurs échouent, une condition préalable nécessaire pour éviter de telles défaillances.

Les dendrites sont des réseaux ramifiés de lithium qui se développent à travers le solide, céramique, électrolyte lors de la charge d'une batterie, provoquant un court-circuit.

"Cette recherche ajoute à nos connaissances fondamentales sur les raisons pour lesquelles les batteries à semi-conducteurs se comportent comme elles le font. Nous pensons que notre meilleure compréhension aidera à éclairer les approches pour éviter certains des problèmes au niveau de l'anode au lithium métal dans les cellules à électrolyte solide, " a commenté le professeur Peter G. Bruce des départements des matériaux et de chimie de l'Université d'Oxford et chercheur principal du projet SOLBAT de la Faraday Institution, dont l'équipe a mené la recherche.

La création de vides à l'anode des cellules à semi-conducteurs est reconnue depuis longtemps, mais leur rôle dans la formation des dendrites n'a pas été compris. L'étude utilise une combinaison de techniques électrochimiques et d'imagerie de pointe pour former une compréhension fondamentale de la formation de vides en fonction du cycle et de son rôle dans les dendrites et la défaillance cellulaire.

Significativement, les paramètres du modèle de défaillance sont en corrélation avec des propriétés physiques clés qui pourraient être utilisées comme « leviers » pour supprimer la formation de vides et la défaillance des cellules.

"Il est essentiel de briser les barrières scientifiques qui empêchent la progression vers le marché des technologies qui permettront notre vision de l'avenir de la mobilité. L'étude des chercheurs d'Oxford est l'un des premiers exemples d'une avancée scientifique pour laquelle l'Institution Faraday a été créée pour conduire, " a déclaré Tony Harper, Directeur de l'ISCF Faraday Battery Challenge chez UK Research &Innovation.

La recherche :importance de la densité de courant critique sur le dénudage

Un défi bien connu auquel sont confrontés les scientifiques qui étudient les batteries à semi-conducteurs est d'empêcher la croissance des dendrites lorsque les batteries sont cyclées entre un état chargé et un état non chargé (comme elles devraient le faire à plusieurs reprises si elles devaient être utilisées pour alimenter des véhicules électriques).

Un autre problème important est la formation de vide entre l'électrolyte solide et l'anode de lithium (électrode chargée négativement) lors du décapage (décharge d'une batterie), ce qui conduit à une surface de contact réduite entre ces deux parties de la cellule de batterie.

Il est difficile de séparer le placage au lithium du décapage en utilisant une expérience avec une cellule de batterie contenant les deux électrodes habituelles. Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé des cellules à trois électrodes pour étudier séparément les processus de placage et de dénudage du lithium métal à l'interface lithium métal/céramique lors du cyclage de la batterie. Argyrodite, Li6PS5Cl, a été choisi comme électrolyte solide. Ces sulfures ont une conductivité plus élevée que les oxydes et sont recherchés comme électrolyte de choix par plusieurs sociétés qui tentent de commercialiser des batteries à l'état solide. L'argyrodite a l'avantage d'être moins cassante que les autres sulfures très conducteurs.

Les chercheurs ont découvert que si la formation de dendrites doit être évitée dans les cellules de batterie entièrement à l'état solide, il est essentiel de cycler les cellules en dessous de la densité de courant critique à laquelle des vides commencent à se former à l'interface lithium métal / électrolyte solide pendant le stripping du lithium (CCS). C'est le cas même lorsque la densité de courant est inférieure au seuil de formation de dendrites sur placage. Lorsque la densité de courant est supérieure à CCS, les vides s'accumulent à vélo, la surface de contact lithium/électrolyte solide diminue en conséquence et en conséquence la densité de courant local augmente jusqu'à atteindre une valeur où des dendrites se forment sur le placage, entraînant un court-circuit et une défaillance de la cellule. Cela peut prendre plusieurs cycles, mais la recherche démontre que la défaillance des cellules est inévitable si la densité de courant globale est supérieure à CCS. Ces résultats montrent que ce n'est pas seulement la densité de courant pour la formation de dendrites qui est importante pour réaliser le cyclage des cellules tout solide à des densités de courant pratiques; les courants de dénudage sont également importants.

Les chercheurs concluent également que le fluage du lithium métal est le principal mécanisme de transport du lithium métal à l'interface.

L'équipe travaillant sur cette découverte comprenait un mélange de théoriciens et d'expérimentateurs, dans le type d'environnement de recherche multidisciplinaire que favorise l'Institution Faraday.

Les prix du développement d'une batterie commerciale tout solide pour véhicules électriques

Petit, non rechargeable, les batteries à l'état solide sont de plus en plus utilisées dans le commerce, par exemple, dans les implants médicaux tels que la surveillance cardiaque. Cependant, il reste des défis considérables associés à la fois à la fabrication de batteries à semi-conducteurs à l'échelle requise pour une utilisation dans les véhicules électriques, et pour s'assurer que ces dispositifs fonctionnent en toute sécurité et à des niveaux de performance acceptables pendant toute la durée de vie du véhicule électrique.

Les batteries lithium-ion actuelles utilisées dans les véhicules électriques contiennent un électrolyte liquide organique inflammable, à travers lequel passent les ions lithium porteurs de charge pendant la charge et la décharge de la batterie. Ce liquide présente un problème de sécurité inhérent (bien que bien géré). Le remplacement de l'électrolyte liquide par un solide supprimerait ce risque d'incendie.

À l'échelle mondiale, des efforts scientifiques importants sont déployés pour développer de nouvelles chimies de batterie qui atteindraient des performances de batterie (densité de puissance et densité d'énergie) qui donneraient une expérience de conduite EV alignée sur les attentes de la conduite de voitures avec des moteurs à combustion interne. La suppression d'un électrolyte liquide serait un préalable au développement de batteries à anode métal lithium, ce qui pourrait débloquer des améliorations significatives des performances.