Les batteries au lithium métal sont très prometteuses pour le stockage d'énergie de nouvelle génération, car l'électrode négative au lithium métal a une capacité spécifique théorique 10 fois supérieure à celle de l'électrode en graphite utilisée dans les batteries Li-ion commerciales. Il a également le potentiel d'électrode le plus négatif parmi les matériaux pour batteries au lithium, ce qui en fait une électrode négative parfaite. Cependant, le lithium est l'un des matériaux les plus difficiles à manipuler, en raison de son mécanisme interne de croissance des dendrites. Ce processus très complexe n'est pas encore entièrement compris et peut provoquer des courts-circuits occasionnels des batteries Li-ion, prendre feu, voire exploser.

Alors que les chercheurs savent que la croissance des dendrites, qui sont des moustaches de lithium en forme d'aiguilles qui se forment à l'intérieur des électrodes de batterie, est affecté par la façon dont les ions se déplacent dans l'électrolyte, ils ne comprennent pas comment le transport ionique et la concentration ionique non homogène affectent la morphologie du dépôt de lithium. L'imagerie du transport d'ions dans un électrolyte transparent s'est avérée très difficile, et les techniques actuelles ont été incapables de capturer de faibles concentrations ioniques et une dynamique d'électrolyte ultrarapide.

Des chercheurs de l'Université de Columbia ont annoncé aujourd'hui avoir utilisé la microscopie à diffusion Raman stimulée (SRS), une technique largement utilisée dans les études biomédicales, explorer le mécanisme de croissance des dendrites dans les batteries au lithium et, en faisant ainsi, sont devenus la première équipe de scientifiques des matériaux à observer directement le transport des ions dans les électrolytes. Ils ont découvert un processus de dépôt de lithium qui correspond à trois étapes :pas d'épuisement, un épuisement partiel (une étape jusqu'alors inconnue), et l'épuisement complet des ions lithium. Ils ont également trouvé un mécanisme de rétroaction entre la croissance des dendrites de lithium et l'hétérogénéité de la concentration ionique locale qui peut être supprimée par une interphase artificielle d'électrolyte solide dans les deuxième et troisième étapes. Le document est publié en ligne dans Communication Nature .

"En utilisant la microscopie à diffusion Raman stimulée, qui est assez rapide pour attraper l'environnement changeant rapidement à l'intérieur de l'électrolyte, nous avons pu comprendre non seulement pourquoi les dendrites de lithium se forment, mais aussi comment inhiber leur croissance, " dit Yuan Yang, co-auteur de l'étude et professeur assistant en science et ingénierie des matériaux, département de physique appliquée et de mathématiques appliquées à Columbia Engineering. "Nos résultats montrent que le transport des ions et la concentration ionique non homogène sont essentiels à la formation de dendrites de lithium à la surface du lithium. La capacité de visualiser le mouvement des ions nous aidera à améliorer les performances de toutes sortes d'appareils électrochimiques, pas seulement des batteries, mais aussi des piles à combustible et des capteurs."

Pour cette étude, Yang a collaboré avec Wei Min, professeur de chimie à l'Université Columbia et co-auteur de l'étude. Il y a dix ans, Min a développé le SRS avec des collègues comme outil pour cartographier les liaisons chimiques dans les échantillons biologiques. Yang a appris la technique sur le site Web de Min, et s'est rendu compte que le SRS pourrait être un outil précieux dans ses recherches sur les batteries.

"Le SRS est trois à six ordres de grandeur plus rapide que la microscopie Raman spontanée conventionnelle, " a noté Yang. " Avec SRS, on peut acquérir une image 3-D de résolution 300 nm en 10 secondes avec une résolution chimique ~ 10 mM, permettant ainsi d'imager le transport et la distribution des ions."

L'étude a révélé qu'il existe trois étapes dynamiques dans le processus de dépôt de Li :

1. Un dépôt lent et relativement uniforme de Li de type mousse lorsque la concentration ionique est bien supérieure à 0 ;
2. Une croissance mixte de Li moussu et de dendrites ; à ce stade, L'appauvrissement en Li+ se produit partiellement près de l'électrode, et des saillies de dendrite de lithium commencent à apparaître; et
3. Croissance des dendrites après épuisement complet. Lorsque les ions de surface sont complètement épuisés, le dépôt de lithium sera dominé par la "croissance de dendrites" et vous verrez la formation rapide de dendrites de lithium.

L'étape 2 est un point de transition critique auquel l'épuisement hétérogène de Li+ sur la surface de Li induit la croissance du dépôt de lithium du « mode lithium moussu » au « mode lithium dendrite ». À ce stade, deux régions commencent à apparaître :une région dendritique où le lithium commence à déposer des dendrites à un rythme de plus en plus rapide, et une région non dendritique où le dépôt de lithium ralentit et même s'arrête. Ces résultats sont également cohérents avec les prédictions faites à partir de simulations réalisées par des collaborateurs de la Pennsylvania State University, Long-Qing Chen, professeur de science et génie des matériaux, et son doctorat étudiant Zhe Liu.

"L'utilisation intelligente de la microscopie à diffusion Raman stimulée pour visualiser la concentration en électrolyte au sein d'une électrode en fonctionnement est une véritable avancée dans l'imagerie des systèmes électrochimiques, " dit Martin Bazant, professeur de génie chimique et de mathématiques au Massachusetts Institute of Technology. « Dans le cas de l'électrodéposition de lithium, le lien entre l'épuisement local du sel et la croissance dendritique a été directement observé pour la première fois, avec des implications importantes pour la conception de batteries métalliques rechargeables sûres."

Suite à leurs observations, l'équipe de Columbia a ensuite développé une méthode pour inhiber la croissance des dendrites en homogénéisant la concentration ionique à la surface du lithium aux stades 2 et 3.

"Lorsque nous avons uniformisé la distribution des ions en surface et atténué l'hétérogénéité ionique en déposant une interface d'électrolyte solide artificielle, nous avons pu supprimer la formation de dendrites, " dit l'auteur principal de l'étude, Qian Cheng, un chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Yang. "Cela nous donne une stratégie pour supprimer la croissance des dendrites et passer à l'amélioration de la densité énergétique des batteries actuelles tout en développant le stockage d'énergie de nouvelle génération."

Min est très heureux que sa technique SRS soit devenue un outil si puissant pour les domaines des matériaux et de l'énergie. "Sans microscopie SRS, nous n'aurions pas pu voir et valider une corrélation aussi claire entre la concentration en Li+ et la croissance des dendrites, " dit-il. " Nous sommes ravis que davantage de personnes en science des matériaux découvrent cet outil. Qui sait ce que nous verrons ensuite ?"