Il y a un vieil adage :« Vous devez apprendre à marcher avant d'apprendre à courir. Malgré tant de sagesse, de nombreuses industries sautent les bases et s'inscrivent plutôt à des marathons, y compris l'industrie des batteries.

Les batteries lithium-ion sont incroyablement prometteuses pour une capacité de stockage améliorée, mais ils sont volatiles. Nous avons tous entendu parler des batteries lithium-ion dans les téléphones, notamment le Samsung Galaxy 7, provoquant l'incendie des téléphones.

Une grande partie du problème provient de l'utilisation d'électrolyte liquide inflammable à l'intérieur de la batterie. Une approche consiste à utiliser un électrolyte solide ininflammable avec une électrode au lithium métallique. Cela augmenterait l'énergie de la batterie tout en diminuant la possibilité d'un incendie.

Essentiellement, la destination construit des batteries à semi-conducteurs de nouvelle génération qui ne vont pas exploser. Le voyage consiste à comprendre fondamentalement le lithium.

« Tout le monde ne regarde que les composants de stockage d'énergie de la batterie, " dit Erik Herbert, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université technologique du Michigan. "Très peu de groupes de recherche s'intéressent à la compréhension des éléments mécaniques. nous découvrons que les propriétés mécaniques du lithium lui-même peuvent être la pièce maîtresse du puzzle."

Les chercheurs de Michigan Tech contribuent de manière significative à acquérir une compréhension fondamentale du lithium avec des résultats publiés aujourd'hui dans une série de trois articles invités dans le Journal of Materials Research, publié conjointement par la Materials Research Society et Cambridge University Press. Herbert et Stephen Hackney, professeur de science et génie des matériaux, avec Violet Thole, un étudiant diplômé à Michigan Tech, Nancy Dudney au Oak Ridge National Laboratory et Sudharshan Phani au International Advanced Research Center for Powder Metallurgy and New Materials, partager des résultats qui soulignent l'importance du comportement mécanique du lithium dans le contrôle des performances et de la sécurité des batteries de nouvelle génération.

Comme un cycle de gel-dégel qui endommage le béton, les dendrites au lithium endommagent les batteries

Le lithium est un métal extrêmement réactif, ce qui le rend sujet aux mauvais comportements. Mais il est aussi très bon pour stocker l'énergie. Nous voulons que nos téléphones (et ordinateurs, tablettes et autres appareils électroniques) pour recharger le plus rapidement possible, et donc les fabricants de batteries sont confrontés à une double pression :fabriquer des batteries qui se chargent très rapidement, faire passer une charge entre la cathode et l'anode le plus rapidement possible, et rendre les batteries fiables malgré les charges répétées.

Le lithium est un métal très mou, mais il ne se comporte pas comme prévu pendant le fonctionnement sur batterie. La pression de montage qui se produit inextricablement pendant la charge et la décharge d'une batterie entraîne la formation de doigts microscopiques de lithium appelés dendrites pour combler les défauts microscopiques préexistants et inévitables - rainures, pores et rayures - à l'interface entre l'anode de lithium et le séparateur à électrolyte solide.

Pendant la poursuite du cyclisme, ces dendrites peuvent forcer leur chemin, et finalement à travers, la couche d'électrolyte solide qui sépare physiquement l'anode et la cathode. Une fois qu'une dendrite atteint la cathode, l'appareil court-circuite et tombe en panne, souvent catastrophique. Les recherches de Herbert et Hackney se concentrent sur la façon dont le lithium atténue la pression qui se développe naturellement pendant la charge et la décharge d'une batterie à semi-conducteurs.

Leurs travaux documentent le comportement remarquable du lithium à des échelles de longueur submicroniques, en explorant les attributs les plus petits et sans doute les plus déroutants du lithium. En indentant des films de lithium avec une sonde à pointe de diamant pour déformer le métal, les chercheurs explorent comment le métal réagit à la pression. Leurs résultats confirment la résistance étonnamment élevée du lithium à petite échelle signalée plus tôt cette année par des chercheurs de Cal Tech.

Herbert et Hackney s'appuient sur cette recherche en fournissant le premier, explication mécanique de la résistance étonnamment élevée du lithium.

La capacité du lithium à diffuser ou à réarranger ses propres atomes ou ions pour tenter d'atténuer la pression imposée par la pointe du pénétrateur, a montré aux chercheurs l'importance de la vitesse à laquelle le lithium se déforme (qui est liée à la vitesse à laquelle les batteries sont chargées et déchargées), ainsi que les effets des défauts et des écarts dans la disposition des ions lithium qui composent l'anode.

Explorer pour comprendre le comportement du lithium

Dans l'article "Nanoindentation des films de lithium déposés en phase vapeur de haute pureté :le module d'élasticité, " les chercheurs mesurent les propriétés élastiques du lithium pour refléter les changements dans l'orientation physique des ions lithium. Ces résultats soulignent la nécessité d'incorporer les propriétés élastiques dépendantes de l'orientation du lithium dans tous les futurs travaux de simulation. Herbert et Hackney fournissent également des preuves expérimentales qui indiquent que le lithium peut avoir une capacité accrue à transformer l'énergie mécanique en chaleur à des échelles de longueur inférieures à 500 nanomètres.

Dans l'article qui suit, "Nanoindentation de films de lithium déposés en phase vapeur de haute pureté :une rationalisation mécaniste de l'écoulement à médiation par la diffusion, " Herbert et Hackney documentent la résistance remarquablement élevée du lithium à des échelles de longueur inférieures à 500 nanomètres, et ils fournissent leur cadre d'origine, qui vise à expliquer comment la capacité du lithium à gérer la pression est contrôlée par la diffusion et la vitesse à laquelle le matériau se déforme.

Finalement, dans "Nanoindentation of high-purity vapor deposit lithium films:A mechanistic rationalization of the transition from diffusion to dislocation-mediated flow, " les auteurs fournissent un modèle statistique qui explique les conditions dans lesquelles le lithium subit une transition abrupte qui facilite encore sa capacité à alléger la pression. Ils fournissent également un modèle qui lie directement le comportement mécanique du lithium aux performances de la batterie.

"Nous essayons de comprendre les mécanismes par lesquels le lithium atténue la pression à des échelles de longueur proportionnelles aux défauts interfaciaux, " dit Herbert. Améliorer notre compréhension de cette question fondamentale permettra directement le développement d'une interface stable qui promeut la sécurité, performances cyclistes à long terme et à haut débit.

Herbert déclare : « J'espère que notre travail aura un impact significatif sur la direction que prennent les gens qui essaient de développer des périphériques de stockage de nouvelle génération ».