Une équipe de recherche dirigée par l'Université de Californie à San Diego a découvert la cause profonde de la défaillance des batteries au lithium métal :des morceaux de dépôts de lithium métal se détachent de la surface de l'anode pendant la décharge et sont piégés comme du lithium « mort » ou inactif que le la batterie ne peut plus accéder.

La découverte, publié le 21 août dans La nature , remet en question la croyance conventionnelle selon laquelle les batteries au lithium métal échouent à cause de la croissance d'une couche, appelé interphase à électrolyte solide (SEI), entre l'anode de lithium et l'électrolyte. Les chercheurs ont fait leur découverte en développant une technique pour mesurer les quantités d'espèces de lithium inactives sur l'anode - une première dans le domaine de la recherche sur les batteries - et en étudiant leurs micro- et nanostructures.

Les résultats pourraient ouvrir la voie à la mise sur le marché des batteries rechargeables au lithium métal du laboratoire.

« En identifiant la principale cause sous-jacente de la défaillance d'une batterie au lithium métal, nous pouvons rationnellement proposer de nouvelles stratégies pour résoudre le problème, " a déclaré le premier auteur Chengcheng Fang, un doctorat en science et ingénierie des matériaux. étudiant à l'UC San Diego. "Notre objectif ultime est de permettre une batterie au lithium métal commercialement viable."

Piles au lithium métal, qui ont des anodes en lithium métal, sont un élément essentiel de la prochaine génération de technologies de batterie. Ils promettent deux fois la densité énergétique des batteries lithium-ion d'aujourd'hui (qui ont généralement des anodes en graphite), afin qu'ils puissent durer plus longtemps et peser moins. Cela pourrait potentiellement doubler l'autonomie des véhicules électriques.

Mais un problème majeur avec les batteries au lithium métal est la faible efficacité coulombienne, ce qui signifie qu'ils subissent un nombre limité de cycles avant de cesser de fonctionner. C'est parce que pendant que la batterie cycle, ses réserves de lithium actif et d'électrolyte s'épuisent.

Les chercheurs sur les batteries soupçonnent depuis longtemps que cela est dû à la croissance de la couche d'interphase d'électrolyte solide (SEI) entre l'anode et l'électrolyte. Mais bien que les chercheurs aient développé diverses façons de contrôler et de stabiliser la couche SEI, ils n'ont toujours pas complètement résolu les problèmes avec les batteries au lithium métal, a expliqué l'auteur principal Y. Shirley Meng, professeur de nano-ingénierie à l'UC San Diego.

"Les cellules échouent toujours car beaucoup de lithium inactif se forme dans ces batteries. Il y a donc un autre aspect important qui est négligé, " a déclaré Meng.

Les coupables, Meng, Fang et ses collègues ont trouvé, sont des dépôts de lithium métal qui se détachent de l'anode lorsque la batterie se décharge, puis se retrouvent piégés dans la couche SEI. Là, ils perdent leur connexion électrique à l'anode, devenir du lithium inactif qui ne peut plus être cyclé à travers la batterie. Ce lithium piégé est en grande partie responsable de la baisse de l'efficacité coulombienne de la cellule.

Mesurer les ingrédients du lithium inactif

Les chercheurs ont identifié le coupable en créant une méthode pour mesurer la quantité de lithium métal n'ayant pas réagi piégé en tant que lithium inactif. De l'eau est ajoutée à un flacon scellé contenant un échantillon de lithium inactif qui s'est formé sur une demi-cellule cyclée. Tous les morceaux de lithium métal n'ayant pas réagi réagissent chimiquement avec l'eau pour produire de l'hydrogène gazeux. En mesurant la quantité de gaz produit, les chercheurs peuvent calculer la quantité de lithium métal piégé.

Le lithium inactif est également constitué d'un autre composant :les ions lithium, qui sont les éléments constitutifs de la couche SEI. Leur quantité peut également être calculée simplement en soustrayant la quantité de lithium métal n'ayant pas réagi de la quantité totale de lithium inactif.

Lors d'essais sur des demi-piles au lithium métal, les chercheurs ont découvert que le lithium métal n'ayant pas réagi est le principal ingrédient du lithium inactif. Au fur et à mesure qu'il se forme, plus l'efficacité coulombienne baisse. Pendant ce temps, la quantité d'ions lithium de la couche SEI reste systématiquement faible. Ces résultats ont été observés dans huit électrolytes différents.

"C'est une découverte importante car elle montre que le principal produit de défaillance des batteries au lithium métal est le lithium métallique n'ayant pas réagi au lieu du SEI, " a déclaré Fang. "C'est une méthode fiable pour quantifier les deux composants du lithium inactif avec une précision ultra-élevée, ce qu'aucun autre outil de caractérisation n'a été capable de faire."

"La nature chimique agressive du lithium métal a rendu cette tâche très difficile. Des réactions parasites de nombreux types différents se produisent simultanément sur le lithium métal, rendant quasiment impossible la différenciation de ces différents types de lithium inactif, " dit Kang Xu, dont l'équipe du laboratoire de recherche de l'armée du commandement du développement des capacités de combat de l'armée américaine a fourni l'une des formulations d'électrolyte avancées pour tester la méthode. "La méthodologie avancée établie dans ce travail fournit un outil très puissant pour le faire de manière précise et fiable."

Les chercheurs espèrent que leur méthode pourrait devenir la nouvelle norme pour évaluer l'efficacité des batteries au lithium métal.

"L'un des problèmes auxquels sont confrontés les chercheurs sur les batteries est que les conditions de test sont très différentes d'un laboratoire à l'autre, il est donc difficile de comparer les données. C'est comme comparer des pommes avec des oranges. Notre méthode peut permettre aux chercheurs de déterminer la quantité de lithium inactif qui se forme après des tests électrochimiques, quel que soit le type d'électrolyte ou le format de cellule qu'ils utilisent, " a déclaré Meng.

Zoom sur le lithium inactif

En étudiant les micro- et nanostructures des dépôts de lithium dans différents électrolytes, les chercheurs répondent à une autre question importante :pourquoi certains électrolytes améliorent l'efficacité coulombienne alors que d'autres ne le font pas.

La réponse a à voir avec la façon dont le lithium se dépose sur l'anode lorsque la cellule est en charge. Certains électrolytes amènent le lithium à former des micro- et nanostructures qui améliorent les performances des cellules. Par exemple, dans un électrolyte spécialement conçu par les collaborateurs de Meng chez General Motors, gisements de lithium aussi denses, morceaux en forme de colonne. Ce type de structure fait que moins de lithium métal n'ayant pas réagi reste piégé dans la couche SEI en tant que lithium inactif pendant la décharge. Le résultat est une efficacité coulombienne de 96 pour cent pour le premier cycle.

"Cette excellente performance est attribuée à la microstructure colonnaire formée à la surface du collecteur de courant avec une tortuosité minimale, ce qui améliore considérablement la connexion structurelle, " dit Mei Cai, dont l'équipe de General Motors a développé l'électrolyte avancé qui a permis au lithium de se déposer avec la microstructure « idéale ».

En revanche, lorsqu'un électrolyte carbonate commercial est utilisé, dépôts de lithium avec une torsion, morphologie en forme de moustache. Cette structure provoque le piégeage d'une plus grande quantité de lithium métallique dans le SEI pendant le processus de décapage. L'efficacité coulombienne s'abaisse à 85 pour cent.

Avancer, l'équipe propose des stratégies pour contrôler le dépôt et le décapage du lithium métal. Il s'agit notamment d'appliquer une pression sur les piles d'électrodes ; créer des couches SEI uniformes et mécaniquement élastiques ; et en utilisant des collecteurs de courant 3-D.

« La maîtrise de la micro- et nanostructure est primordiale, " a déclaré Meng. " Nous espérons que nos connaissances stimuleront de nouvelles directions de recherche pour amener les batteries rechargeables au lithium métal au niveau supérieur. "