Les batteries lithium-ion (LIB) sont un type courant de batteries rechargeables. Leur nature polyvalente et leurs nombreuses applications dans toutes sortes d'appareils électroniques, des téléphones portables aux voitures, les font paraître trop belles pour être vraies. Et peut-être le sont-ils :récemment, il y a eu une augmentation du nombre d'incidents liés aux incendies associés aux LIB, surtout pendant la charge, suscitant de sérieuses inquiétudes quant à leur sécurité. Les scientifiques savent désormais que ces incidents peuvent être dus à l'utilisation d'un chargeur cassé ou non autorisé. Souvent, une mauvaise utilisation de ces chargeurs et une surcharge peuvent conduire à la formation de structures hérissées sur l'électrode négative de la batterie, appelés « dendrites de lithium (Li), " qui pénètrent à travers la barrière entre les électrodes négative et positive et provoquent un court-circuit. Ainsi, il est crucial d'examiner exactement comment se produit la formation de dendrites pour améliorer la sécurité des LIB.

Les scientifiques de l'Université d'Okayama, dirigé par le professeur agrégé Kazuma Gotoh, a récemment fait un pas dans cette direction, dans une nouvelle étude publiée dans Journal de la chimie des matériaux A . Ils se sont penchés sur la recherche du mécanisme précis de la formation de dendrites dans les LIB, dans le but de surmonter leurs limites et de faciliter leur application pratique. Le Dr Gotoh explique, "Nous voulions analyser la formation de dendrites métalliques dans les batteries secondaires (rechargeables) et contribuer à améliorer la sécurité des batteries."

Des études antérieures qui ont tenté de comprendre le processus de formation des dendrites de Li ont été couronnées de succès dans une certaine mesure :elles ont révélé que lorsque la batterie est dans un état surchargé, la formation de dendrites se produit dans la phase de surlithiation du cycle de la batterie. Mais, ces expériences ont été réalisées ex situ (en dehors de l'environnement électrochimique proprement dit), et ainsi le moment exact du début de la formation de dendrites n'a pas été trouvé. Dans leur nouvelle étude, Le Dr Gotoh et son équipe ont décidé de surmonter cette limitation. Ils ont pensé qu'en appliquant des méthodes operando (qui reproduisent l'environnement électrochimique) à une technique analytique appelée résonance magnétique nucléaire (RMN), ils peuvent suivre avec précision les atomes de Li dans la structure interne des matériaux, ce qui n'est pas possible lors de l'utilisation de méthodes ex situ.

En utilisant cette technique, l'équipe avait déjà réussi à observer les états de surcharge de deux types d'électrodes négatives - électrodes en graphite et en carbone dur - dans la phase de surlithiation d'un LIB. Dans la nouvelle étude, ils sont passés au niveau supérieur en observant l'état de ces électrodes pendant le processus de lithiation et de délithiation (le cycle de charge et de décharge de la batterie). Leur analyse RMN les a aidés à suivre le moment précis d'apparition de la formation de dendrites et du dépôt de Li dans la batterie surchargée, pour les électrodes en graphite et en carbone dur. En graphite, ils ont découvert que les dendrites de Li se forment peu de temps après l'apparition de la phase entièrement lithiée de l'électrode. Dans l'électrode de carbone dur, en revanche, ils ont observé que les dendrites ne se forment qu'après l'apparition d'amas de Li quasi métalliques dans les pores du carbone dur. Ainsi, les scientifiques en ont déduit que lorsque la batterie est surchargée, la formation d'amas de Li quasi-métallique agit comme un tampon pour la formation de dendrites de Li dans les électrodes de carbone dur. Ils ont même appliqué la même analyse à un autre type de batterie rechargeable, appelée batterie sodium-ion (NIB), et trouvé des résultats similaires. Le Dr Gotoh explique, « Nous avons constaté que certains matériaux carbonés ayant des pores internes (comme le carbone amorphe) ont un effet tampon pour le dépôt de dendrites Li et Na lors de la surcharge des batteries. Cette connaissance jouera un rôle important pour assurer la sécurité des LIB et des NIB.

En révélant les subtilités des mécanismes de formation des dendrites dans les LIB et les NIB, Le Dr Gotoh et son équipe fournissent des informations utiles sur leur sécurité. En réalité, les scientifiques sont optimistes quant au fait que leurs découvertes pourront être appliquées à d'autres types de piles rechargeables à l'avenir. Le Dr Gotoh conclut, "Nos résultats peuvent être appliqués non seulement aux LIB et NIB, mais également aux batteries secondaires de nouvelle génération telles que toutes les batteries à semi-conducteurs. Il s'agit d'une étape importante pour faciliter leur application pratique."

Avec les résultats de cette nouvelle étude, nous pouvons espérer que nous sommes peut-être un pas de plus vers la réalisation de notre rêve de ressources énergétiques vraiment durables.