Les batteries lithium-métal sont parmi les candidats les plus prometteurs pour la technologie de stockage d'énergie à haute densité dans une gamme croissante d'appareils numériques « intelligents » et de véhicules électriques, mais croissance incontrôlée de dendrites de lithium, ce qui entraîne une faible capacité de recharge et des risques pour la sécurité, tempère actuellement leur potentiel.

Les dendrites sont des excroissances en forme d'aiguilles qui apparaissent à la surface du lithium métal, qui sert d'anode, ou électrode négative, d'une batterie. Ils induisent des réactions secondaires indésirables qui réduisent la densité énergétique, et au pire, provoquer un court-circuit des électrodes pouvant provoquer des incendies ou des explosions.

Nouvelle recherche de l'Arizona State University qui consiste à utiliser une couche tridimensionnelle de polydiméthylsiloxane (PDMS), ou silicone, car il a été découvert que le substrat de l'anode au lithium métallique atténue la formation de dendrites et permet à la fois de prolonger considérablement la durée de vie de la batterie et de réduire les risques pour la sécurité.

Selon Hanqing Jiang, professeur à la School for Engineering of Matter de l'Arizona State University, Transport and Energy et un chercheur principal sur un article publié dans Énergie naturelle , les résultats sont pertinents pour les batteries lithium-ion et lithium-air, ainsi que des implications pour d'autres batteries à base d'anodes métalliques.

"Presque tous les métaux utilisés comme anodes de batterie ont tendance à développer des dendrites, " expliqua Jiang. "Par exemple, ces résultats ont des implications pour le zinc, les batteries au sodium et à l'aluminium aussi.

Jiang a dit que lui et l'équipe de recherche, plutôt que d'aborder le problème d'un point de vue matériel ou électrochimique, cherché des solutions en tant qu'ingénieurs mécaniciens. "Nous savons déjà que de minuscules aiguilles ou moustaches en étain peuvent dépasser des surfaces en étain sous l'effet du stress, Par analogie, nous avons donc examiné la possibilité que le stress soit un facteur de croissance des dendrites de lithium. »

Le premier cycle de recherche consistait à ajouter une couche de PDMS au bas de l'anode de la batterie. « Il y a eu des réductions remarquables de la croissance des dendrites, ", a déclaré Jiang. Les chercheurs ont découvert que cela est directement lié au fait que le stress accumulé à l'intérieur du lithium métal est soulagé par la déformation du substrat PDMS sous la forme de "rides".

"C'est la première fois que des preuves convaincantes montrent que le stress résiduel joue un rôle clé dans l'initiation des dendrites de lithium, " a déclaré Jiang.

En plus d'obtenir une compréhension fondamentale du mécanisme de croissance des dendrites de lithium, Le groupe de Jiang a également trouvé un moyen intelligent d'utiliser le phénomène pour prolonger la durée de vie des batteries lithium-métal tout en maintenant leur haute densité énergétique. La solution est de donner au substrat PDMS une forme tridimensionnelle avec beaucoup de surface. "Envisagez des morceaux de sucre qui contiennent beaucoup de petits pores internes, " expliqua Jiang. " A l'intérieur de ces cubes, le PDMS forme un réseau continu en tant que substrat, recouvert d'une fine couche de cuivre pour conduire les électrons. Finalement, le lithium remplit les pores. Le PDMS, qui sert de poreux, couche spongieuse, soulage le stress et inhibe efficacement la croissance des dendrites."

"En combinant de manière synergique avec d'autres méthodes de suppression des dendrites au lithium telles que les nouveaux additifs électrolytiques, la découverte a de larges implications pour faire des batteries lithium-métal un coffre-fort, haute densité, solution de stockage d'énergie à long terme, " a déclaré le professeur Ming Tang, membre d'une équipe de recherche à l'Université Rice. "Les applications potentielles vont des appareils électroniques personnels à l'alimentation de voitures électriques pendant des périodes exceptionnellement plus longues en passant par l'alimentation électrique de secours pour les réseaux électriques solaires."