Lithium-ion rechargeable, la technologie de batterie dominante pour l'électronique portable, devient de plus en plus la batterie de choix pour les applications de stockage d'énergie de véhicules électriques et de réseaux électriques.

Dans une batterie lithium-ion, la cathode (électrode positive) est un oxyde de lithium métallique tandis que l'anode (électrode négative) est en graphite. Mais les chercheurs cherchent des moyens de remplacer le graphite par du lithium métal comme anode pour augmenter la densité énergétique de la batterie.

Étant donné que la densité de compactage des atomes de lithium est la plus élevée sous sa forme métallique, Les batteries qui utilisent des anodes au lithium métalliques peuvent contenir plus d'énergie par poids ou par volume que les anodes à base de graphite. Cependant, les anodes en lithium métal sont en proie à une accumulation de « dendrites » qui se produit au cours de cycles répétés de charge et de décharge.

Les dendrites sont des protubérances en forme de branches qui émanent de la surface du lithium métallique. Souvent, ils poussent assez longtemps pour créer un court-circuit entre les électrodes, entraînant un risque d'incendie.

Mais maintenant, une équipe de chercheurs du Rensselaer Polytechnic Institute (Renselaer) a découvert un moyen d'utiliser la chaleur interne de la batterie pour diffuser les dendrites en une couche lisse. Les chercheurs ont fait part de leurs découvertes cette semaine dans Science .

« Nous avons constaté que les dendrites métalliques au lithium peuvent être cicatrisées in situ par l'auto-échauffement des particules dendritiques, " a déclaré Nikhil Koratkar, le professeur d'ingénierie John A. Clark et Edward T. Crossan à Rensselaer et auteur correspondant de l'article.

Contourner le problème des dendrites

Un dispositif de batterie est composé de deux électrodes :la cathode et l'anode. Une membrane isolante est placée entre les électrodes qui agit comme un séparateur pour empêcher les électrodes de se toucher et de court-circuiter la batterie. Le séparateur est saturé d'électrolyte liquide, qui permet aux ions (atomes chargés) de faire la navette entre les électrodes.

Les réactions chimiques produisent de l'électricité lorsque les ions lithium chargés positivement de l'anode sont transportés vers la cathode lors de la décharge. Lorsque la batterie est branchée sur une prise pour se recharger, l'inverse se produit :les ions lithium refluent de la cathode vers l'anode.

Dans une batterie avec une anode au lithium métal, des cycles répétés de décharge et de recharge provoquent une accumulation de dendrite sur la surface de l'anode. Cette accumulation épineuse peut éventuellement pénétrer dans le séparateur et toucher la cathode. Quand cela arrive, un court-circuit se produit qui rend une batterie inutilisable, ou pire, provoque un incendie.

L'industrie a évité le problème des dendrites de lithium en utilisant des anodes en carbone (généralement en graphite). Dans cette approche, les ions lithium diffusent et sont stockés dans la matrice carbonée, qui isole chaque atome de lithium, empêchant ainsi l'accumulation de dendrites. Typiquement, un atome de lithium est stocké pour six atomes de carbone, avec l'excès de carbone servant à peine plus que du poids mort.

"Les batteries lithium-ion avec anodes à base de carbone sont la meilleure option disponible, mais ils ne peuvent plus répondre à la demande de capacité de stockage, " Koratkar a déclaré. "Pour toute nouvelle amélioration significative, il faut chercher ailleurs. La meilleure option serait un système au lithium métal."

La technique d'auto-échauffement pourrait changer la donne

La solution proposée par les chercheurs de Rensselaer tire parti du chauffage résistif interne de la batterie pour éliminer l'accumulation de dendrite. Le chauffage résistif (également connu sous le nom de chauffage Joule) est un processus dans lequel un matériau métallique résiste au flux de courant et, par conséquent, produit de la chaleur. Cet "auto-échauffement" se produit lors du processus de charge et de décharge.

Les chercheurs ont accéléré l'effet d'auto-échauffement en augmentant la densité de courant (taux de charge-décharge) de la batterie. Le processus a déclenché une diffusion de surface étendue du lithium, répandre les dendrites en une couche uniforme.

Les chercheurs ont d'abord démontré ce lissage (cicatrisation) des dendrites dans une cellule symétrique lithium-lithium. Ils ont ensuite montré le processus avec les mêmes résultats dans une démonstration de preuve de concept utilisant une batterie lithium-soufre.

La guérison des dendrites serait effectuée par le logiciel du système de gestion de la batterie, qui fournirait des doses de traitement « d'auto-guérison » en exécutant quelques cycles à un taux de charge et de décharge élevé lorsqu'un appareil électronique n'est pas utilisé.

"Un nombre limité de cycles à haute densité de courant se produirait pour guérir les dendrites, puis les opérations normales peuvent être reprises, " Koratkar a dit. " L'auto-guérison se produirait comme une stratégie de maintenance, bien avant que les dendrites ne deviennent un danger pour la sécurité."

"Le stockage d'énergie à haute densité reste un obstacle critique entre la récupération d'énergie renouvelable et son utilisation généralisée dans tout, des véhicules électriques aux maisons à énergie solaire, " a déclaré le doyen de l'ingénierie Shekhar Garde. " Les résultats du laboratoire du professeur Koratkar montrent comment la compréhension fondamentale des matériaux à l'échelle nanométrique peut être utilisée non seulement pour augmenter la densité énergétique des batteries, mais aussi augmenter leur durée de vie et les rendre plus sûrs."