Les dendrites sont les sous-produits destructeurs du cycle de charge et de décharge des batteries lithium-ion. Ces minuscules dépôts se forment entre l'anode et la cathode de la batterie, s'accumuler au fil du temps. Inévitablement, ils diminuent la durée de vie de la batterie. Plus problématique est leur risque de faire s'enflammer la batterie. Dans la quête de batteries plus sûres et plus durables, en particulier pour les voitures électriques, camions, et avions - les chercheurs continuent d'explorer des méthodes pour supprimer la formation de dendrites.

Des chercheurs de l'Université Carnegie Mellon ont découvert que les cristaux liquides peuvent être utilisés comme électrolytes avec des anodes au lithium métal dans les batteries pour supprimer la croissance des dendrites. Les cristaux liquides représentent une nouvelle classe de matériaux qui ont des propriétés différentes des liquides et solides conventionnels. La suppression des dendrites se produit en raison de la tendance des molécules de cristaux liquides à s'aligner dans un arrangement ordonné.

Dans les conclusions publiées dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , l'équipe de recherche a proposé divers critères de conception pour sélectionner les cristaux liquides comme électrolytes de batterie pouvant permettre le bon fonctionnement des batteries au lithium métal.

"Cet ensemble complet de règles de conception au niveau moléculaire ouvrira la voie à la réalisation de cette nouvelle classe d'électrolytes pour les batteries pratiques au lithium métal, " dit Venkat Viswanathan, professeur agrégé de génie mécanique à Carnegie Mellon.

"Les batteries avec une densité énergétique accrue sont essentielles pour permettre l'électrification de masse des transports. Les anodes au lithium métal offrent une approche prometteuse pour améliorer la densité énergétique des batteries, mais la formation de dendrites affecte la sécurité et la durée de vie des anodes au lithium métal, " dit Zeeshan Ahmad, l'auteur principal de l'article.

Les résultats s'appuient sur les travaux antérieurs de l'équipe de recherche sur la suppression des dendrites à l'aide d'électrolytes solides. Bien que les électrolytes solides fournissent une suppression de dendrite supérieure, elles ont des conductivités lithium-ion plus lentes et ne s'intègrent pas facilement dans les batteries lithium-ion actuelles. Liquides, d'autre part, ont une conductivité plus rapide mais ne peuvent pas supprimer les dendrites.

Les matériaux à cristaux liquides se situent quelque part entre les deux car ils possèdent un certain ordre d'orientation mais aucun ordre de position comme les solides. Ils s'intègrent facilement dans les batteries lithium-ion actuelles, sont plus sûrs, et offrent une suppression spontanée des dendrites.

Les cristaux liquides présentent un inconvénient :leur stabilité n'est actuellement pas aussi bonne que celle des électrolytes liquides actuels. La prochaine étape de cette ligne de recherche consiste à examiner plus avant les matériaux cristallins liquides afin qu'ils puissent répondre à tous les critères de conception des futures batteries.