Le lithium métal est l'un des candidats les plus prometteurs pour les anodes de batterie de nouvelle génération en raison de sa capacité spécifique exceptionnellement élevée. Cependant, son utilisation généralisée est entravée par un obstacle difficile :lors de plusieurs cycles de charge-décharge, des filaments fractals appelés dendrites peuvent croître à travers l'électrolyte de l'électrode négative à l'électrode positive et court-circuiter la batterie de l'intérieur, pose ainsi un problème de sécurité majeur.

Dans un article publié en Matériaux naturels , Venkat Viswanathan, professeur agrégé au département de génie mécanique de Carnegie Mellon, et ses co-auteurs ont abordé ce problème en étudiant comment un conducteur à ions solides (SIC) - un composant qui peut être utilisé comme séparateur entre l'anode et l'électrolyte - peut empêcher les dendrites.

Ils ont d'abord conçu un modèle théorique pour établir les règles de conception auxquelles les SIC doivent obéir pour atteindre la stabilité du cycle d'électrodéposition. A partir de ce modèle, ils ont appris que cette stabilité dépend principalement de deux propriétés du SIC :son module de cisaillement, une mesure de la rigidité, et le volume occupé par un ion lithium lorsqu'il se déplace à travers le SIC.

Les matériaux à faible module de cisaillement et à faible volume de lithium suppriment les dendrites, tandis que les matériaux à haut module et à grand volume de lithium les bloquent. Cela donne lieu à deux régions de stabilité :une suppression de dendrite, et un bloquant les dendrites. Alors que le régime de blocage des dendrites était déjà bien connu et étudié dans le domaine de l'électrochimie, le domaine de suppression des dendrites n'avait pas encore été exploré.

Voyant le vaste océan d'opportunités d'avancées scientifiques au sein de cette région de stabilité jusque-là non reconnue, grâce à la collaboration avec le groupe de Brett Helms au Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), l'équipe a conçu un SIC composite à base de polymère conçu spécifiquement pour sonder ce régime de suppression des dendrites et valider leur hypothèse.

En utilisant un éventail de techniques de calcul et expérimentales, ils ont démontré que ce nouveau matériau, en accédant à un domaine de stabilité jusqu'alors inconnu, peut en effet contourner l'obstacle des dendrites qui hante l'utilisation du lithium métal comme anode de grande capacité.

Leur travail peut servir de tremplin pour de nouveaux progrès vers les batteries de nouvelle génération, nécessaires pour alimenter de nouvelles technologies passionnantes telles que les voitures volantes.

Le papier, intitulé "Règles de conception chimiomécanique universelles pour les conducteurs à ions solides pour empêcher la formation de dendrites dans les batteries au lithium métal, " a été publié dans Matériaux naturels en avril 2020.