L'espoir a été restauré pour la batterie rechargeable au lithium métal - une centrale de batterie potentielle reléguée pendant des décennies au laboratoire en raison de sa courte espérance de vie et de sa disparition ardente occasionnelle tandis que son frère rechargeable, la batterie lithium-ion, rapporte maintenant plus de 30 milliards de dollars par an.

Un nouveau revêtement pourrait rendre les batteries au lithium métal légères sûres et durables, une aubaine pour le développement de véhicules électriques de nouvelle génération. (Crédit image :Shutterstock)

Une équipe de chercheurs de l'Université de Stanford et du SLAC National Accelerator Laboratory a inventé un revêtement qui surmonte certains des défauts de la batterie, décrit dans un article publié le 26 août dans Joule .

Dans les tests de laboratoire, le revêtement prolonge considérablement la durée de vie de la batterie. Il a également résolu le problème de la combustion en limitant considérablement les minuscules structures en forme d'aiguille - ou dendrites - qui percent le séparateur entre les côtés positif et négatif de la batterie. En plus de ruiner la batterie, les dendrites peuvent créer un court-circuit dans le liquide inflammable de la batterie. Les batteries lithium-ion ont parfois le même problème, mais les dendrites ont été un non-starter pour les batteries rechargeables au lithium métal à ce jour.

« Nous abordons le Saint Graal des batteries au lithium métal, " dit Zhenan Bao, professeur de génie chimique, qui est l'auteur principal de l'article avec Yi Cui, professeur de science et ingénierie des matériaux et de science des photons au SLAC. Bao a ajouté que les dendrites avaient empêché l'utilisation de batteries au lithium métal dans ce qui pourrait être la prochaine génération de véhicules électriques.

La promesse

Les batteries au lithium métal peuvent contenir au moins un tiers de plus de puissance par livre que les batteries lithium-ion et sont nettement plus légères car elles utilisent du lithium léger pour l'extrémité chargée positivement plutôt que du graphite plus lourd. S'ils étaient plus fiables, ces batteries pourraient profiter à l'électronique portable, des ordinateurs portables aux téléphones portables, mais la vraie saleté de salaire, Cui a dit, serait pour les voitures. Le plus gros frein aux véhicules électriques est que leurs batteries dépensent environ un quart de leur énergie pour se déplacer. Cela touche au cœur de la gamme et du coût des véhicules électriques.

"La capacité des batteries lithium-ion conventionnelles a été développée presque aussi loin que possible, " a déclaré David Mackanic, étudiant au doctorat à Stanford, co-auteur principal de l'étude. "Donc, il est crucial de développer de nouveaux types de batteries pour répondre aux exigences agressives de densité d'énergie des appareils électroniques modernes."

L'équipe de Stanford et du SLAC a testé leur revêtement sur l'extrémité chargée positivement - appelée anode - d'une batterie au lithium métal standard, c'est là que les dendrites se forment généralement. Finalement, ils ont combiné leurs anodes spécialement revêtues avec d'autres composants disponibles dans le commerce pour créer une batterie entièrement opérationnelle. Après 160 cycles, leurs piles au lithium métal fournissaient encore 85 pour cent de la puissance qu'ils faisaient dans leur premier cycle. Les piles au lithium métal ordinaires fournissent environ 30 % après autant de cycles, les rendant presque inutiles même s'ils n'explosent pas.

Le nouveau revêtement empêche la formation de dendrites en créant un réseau de molécules qui délivrent uniformément des ions lithium chargés à l'électrode. Il empêche les réactions chimiques indésirables typiques de ces batteries et réduit également l'accumulation de produits chimiques sur l'anode, ce qui dévaste rapidement la capacité de la batterie à fournir de l'énergie.

"Notre nouvelle conception de revêtement rend les batteries au lithium métal stables et prometteuses pour un développement ultérieur, " a déclaré l'autre co-auteur principal, Doctorat de Stanford étudiant Zhiao Yu.

Le groupe affine maintenant sa conception de revêtement pour augmenter la rétention de capacité et tester les cellules sur plus de cycles.

"Bien que l'utilisation dans les véhicules électriques puisse être l'objectif ultime, " dit Cui, "la commercialisation commencerait probablement par l'électronique grand public pour démontrer d'abord la sécurité de la batterie."