Des nano-ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego ont développé une fonction de sécurité qui empêche les batteries au lithium métal de chauffer rapidement et de prendre feu en cas de court-circuit interne.

L'équipe a fait un ajustement intelligent à la partie de la batterie appelée le séparateur, qui sert de barrière entre l'anode et la cathode, de sorte qu'il ralentit le flux d'énergie (et donc de chaleur) qui s'accumule à l'intérieur de la batterie lorsqu'elle court-circuite.

Les chercheurs, dirigé par le professeur de nano-ingénierie de l'UC San Diego Ping Liu et son doctorat. étudiant Matthew Gonzalez, détailler leur travail dans un article publié dans Matériaux avancés .

« Nous n'essayons pas d'empêcher une panne de batterie. Nous la rendons beaucoup plus sûre afin que, lorsqu'elle tombe en panne, la batterie ne prend pas feu ou n'explose pas de manière catastrophique, " dit Gonzalez, qui est le premier auteur de l'article.

Les batteries au lithium métal échouent en raison de la croissance de structures en forme d'aiguilles appelées dendrites sur l'anode après une charge répétée. Heures supplémentaires, les dendrites poussent assez longtemps pour percer le séparateur et créer un pont entre l'anode et la cathode, provoquant un court-circuit interne. Quand cela arrive, le flux d'électrons entre les deux électrodes devient incontrôlable, provoquant une surchauffe instantanée de la batterie et l'arrêt de son fonctionnement.

Le séparateur que l'équipe de l'UC San Diego a développé atténue essentiellement ce coup. Un côté est recouvert d'un mince, toile partiellement conductrice de nanotubes de carbone qui intercepte les dendrites qui se forment. Lorsqu'une dendrite perce le séparateur et frappe cette toile, les électrons ont maintenant un chemin à travers lequel ils peuvent s'écouler lentement plutôt que de se précipiter tout d'un coup vers la cathode.

Gonzalez a comparé le nouveau séparateur de batterie à un déversoir à un barrage.

"Quand un barrage commence à se rompre, un déversoir est ouvert pour laisser une partie de l'eau s'écouler de manière contrôlée de sorte que lorsque le barrage se brise et se déverse, il ne reste plus beaucoup d'eau pour provoquer une inondation, " dit-il. " C'est l'idée avec notre séparateur. Nous drainons beaucoup la charge, beaucoup plus lent et empêcher un « afflux » d'électrons vers la cathode. Lorsqu'une dendrite est interceptée par la couche conductrice du séparateur, la batterie peut commencer à s'autodécharger de sorte que lorsque la batterie fait court, il n'y a plus assez d'énergie pour être dangereux."

D'autres efforts de recherche sur les batteries se concentrent sur la construction de séparateurs à partir de matériaux suffisamment solides pour empêcher les dendrites de percer. Mais un problème avec cette approche est qu'elle ne fait que prolonger l'inévitable, dit Gonzalez. Ces séparateurs doivent encore avoir des pores qui laissent passer les ions pour que la batterie fonctionne. En conséquence, quand les dendrites finissent par passer, le court-circuit sera encore pire.

Plutôt que de bloquer les dendrites, l'équipe de l'UC San Diego a cherché à atténuer leurs effets.

Dans les essais, les batteries au lithium métal équipées du nouveau séparateur ont montré des signes de défaillance progressive sur 20 à 30 cycles. Pendant ce temps, les batteries avec un séparateur normal (et légèrement plus épais) ont subi une défaillance soudaine en un seul cycle.

"Dans un scénario de cas d'utilisation réel, vous n'auriez aucun avertissement préalable que la batterie va tomber en panne. Ça pourrait être bien une seconde, puis prendre feu ou court-circuiter complètement le suivant. C'est imprévisible, " dit Gonzalez. " Mais avec notre séparateur, vous seriez averti à l'avance que la batterie s'aggrave un peu, un peu pire, un peu pire, chaque fois que vous le chargez."

Alors que cette étude portait sur les batteries au lithium métal, les chercheurs disent que le séparateur peut également fonctionner dans le lithium-ion et d'autres chimies de batterie. L'équipe travaillera à l'optimisation du séparateur pour une utilisation commerciale. Un brevet provisoire a été déposé par UC San Diego.