La formation de dendrites de lithium est encore un mystère, mais les ingénieurs des matériaux étudient les conditions qui permettent aux dendrites et comment les arrêter.

Historiquement, comme il y a des décennies, les piles rechargeables au lithium métal étaient dangereuses. Ces batteries ont été rapidement abandonnées au profit des batteries Li-ion qui ne contiennent pas de lithium métallique et sont aujourd'hui largement utilisées. Dans le cadre des efforts déployés pour continuer à augmenter la densité énergétique et à réduire les coûts, nous explorons à nouveau comment utiliser efficacement et en toute sécurité le lithium métal dans les batteries. Batteries à l'état solide, exempt de liquides inflammables, peut être la solution. Cependant, les progrès ont été ralentis car le lithium métal trouve toujours un moyen de court-circuiter la batterie et de limiter la durée de vie du cycle.

Les batteries au lithium à semi-conducteurs sont le Saint Graal du stockage d'énergie. Avec des impacts potentiels sur tout, des appareils mobiles personnels aux énergies renouvelables industrielles, les difficultés valent la peine d'être surmontées. L'objectif :construire une batterie au lithium sûre et à longue durée de vie. Le défi :utiliser un électrolyte à l'état solide et empêcher les courts-circuits dus à la formation et à la croissance de dendrites de lithium.

Dans un nouvel article invité publié dans le Journal de recherche sur les matériaux , les ingénieurs en matériaux de l'Université technologique du Michigan se penchent sur le problème. Leur point de vue est inhabituel. Ils se concentrent sur la mécanique unique du lithium à des dimensions qui ne représentent qu'une fraction du diamètre des cheveux sur votre tête - des échelles beaucoup plus petites que la plupart des autres ne le considèrent.

"Les gens pensent que le lithium est doux comme du beurre, alors comment peut-il avoir la force de pénétrer à travers un séparateur à électrolyte solide en céramique ?", a demandé Erik Herbert, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à Michigan Tech et l'un des responsables de l'étude. Il dit que la réponse n'est pas intuitive :plus petit est plus fort. De minuscules défauts physiques comme des micro fissures, des pores ou des rugosités de surface existent inévitablement à l'interface entre une anode de lithium et un séparateur à électrolyte solide. Zoom sur la mécanique du lithium métal à des échelles de longueur proportionnées à ces minuscules défauts d'interface, il s'avère que le lithium est beaucoup plus puissant qu'il ne l'est aux échelles macroscopiques ou de longueur en vrac.

"Le lithium n'aime pas plus le stress que toi ou moi j'aime le stress, donc c'est juste essayer de comprendre comment faire disparaître la pression, " dit Herbert. " Ce que nous disons, c'est qu'à de petites échelles de longueur, où le lithium n'est pas susceptible d'avoir accès au mécanisme normal qu'il utiliserait pour alléger la pression, il doit s'appuyer sur les autres, méthodes moins efficaces pour soulager le stress."

Dans chaque métal cristallin comme le lithium, des défauts au niveau atomique appelés dislocations sont nécessaires pour soulager des quantités importantes de stress. Aux échelles macroscopiques ou de longueur en vrac, les dislocations éliminent efficacement le stress car elles permettent aux plans d'atomes adjacents de glisser facilement les uns sur les autres comme un jeu de cartes. Cependant, aux petites échelles de longueur et aux températures élevées par rapport au point de fusion du métal, la chance de trouver des dislocations dans le volume stressé est très faible. Dans ces conditions, le métal doit trouver un autre moyen de relâcher la pression. Pour le lithium, cela signifie passer à la diffusion. Le stress éloigne les atomes de lithium du volume stressé, ce qui revient à être emporté sur une passerelle d'aéroport atomique. Par rapport au mouvement de luxation, la diffusion est très inefficace. Cela signifie à de petites échelles de longueur, où la diffusion contrôle le soulagement des contraintes plutôt que le mouvement de dislocation, le lithium peut supporter plus de 100 fois plus de stress ou de pression qu'à des échelles de longueur macroscopiques.

Des problèmes catastrophiques peuvent survenir dans ce que Herbert et son co-responsable, Professeur MTU Stephen Hackney, appeler la zone de danger du défaut. La zone est une fenêtre de dimensions de défauts physiques définie par la compétition de soulagement des contraintes entre le mouvement de diffusion et de dislocation. Le pire des cas est un défaut d'interface physique (une micro fissure, rugosité des pores ou de la surface) qui est trop grande pour un soulagement efficace des contraintes par diffusion mais trop petite pour permettre un soulagement des contraintes par un mouvement de dislocation. Dans ce problème de Boucle d'or inversé, des contraintes élevées dans le lithium peuvent provoquer une défaillance catastrophique de l'électrolyte solide et de l'ensemble de la batterie. De façon intéressante, la taille de la zone dangereuse est la même que celle des dendrites de lithium observées.

« Les électrolytes à l'état solide très minces et les densités de courant élevées nécessaires pour fournir la puissance de la batterie et les temps de charge courts attendus par les consommateurs sont des conditions qui favorisent la défaillance des dendrites de lithium, donc le problème des dendrites doit être résolu pour que la technologie progresse, " dit Hackney. " Mais pour rendre la technologie à semi-conducteurs viable, la capacité de puissance et les limites de durée de vie doivent être prises en compte. Bien sûr, la première étape pour résoudre le problème est de comprendre la cause première, c'est ce que nous essayons de faire avec ce travail en cours."

Hackney souligne que le concept plus petit est plus fort n'est pas nouveau. Les ingénieurs matériaux ont étudié l'effet d'échelle de longueur sur le comportement mécanique depuis les années 1950, bien qu'il n'ait pas été largement utilisé dans l'examen du problème des dendrites de lithium et des électrolytes solides.

"Nous pensons que ce paradigme" plus petit est plus fort "est directement applicable à la taille de dendrite de lithium observée, et est confirmé par nos expériences sur très propre, films de Li épais à des vitesses de déformation pertinentes pour l'initiation de l'instabilité des dendrites pendant la charge, " dit Hackney.

Pour examiner rigoureusement leur hypothèse, Herbert et Hackney réalisent des expériences de nanoindentation dans des films de lithium de haute pureté qui sont produits par un chercheur de haut niveau sur les batteries, Nancy Dudney du Laboratoire national d'Oak Ridge.

"Les propriétés en vrac du lithium métal sont bien caractérisées, mais cela peut ne pas être pertinent à l'échelle des défauts et des distributions de courant inhomogènes agissant probablement dans les batteries à l'état solide très minces, " a déclaré Dudney. " Le modèle présenté dans cet article est le premier à cartographier les conditions dans lesquelles le lithium beaucoup plus puissant aura un impact sur les performances de cycle de vie. Cela guidera les futures recherches sur les électrolytes solides et les conceptions de batteries. »

Parmi les prochaines étapes de l'équipe, ils prévoient d'examiner les effets de la température et du cycle électrochimique sur le comportement mécanique du lithium à de petites échelles de longueur. Cela les aidera à mieux comprendre les conditions et les stratégies du monde réel pour rendre les batteries de nouvelle génération immunisées contre la formation et la croissance de dendrites de lithium.