Les batteries d'aujourd'hui ne peuvent pas absorber toute l'énergie d'un parc éolien par une nuit venteuse et la retenir jusqu'à ce qu'elle soit nécessaire le lendemain. Une option prometteuse consiste à créer une batterie de plus grande capacité en remplaçant l'électrode négative des batteries conventionnelles par une électrode en lithium métal. Le problème? Les dendrites - les dépôts qui se forment sur les surfaces des électrodes pendant le processus de charge - provoquent un court-circuit des batteries, entraînant de graves dangers pour la sécurité. Récemment, les scientifiques ont découvert comment empêcher la formation de dendrites. Pour la première fois, une équipe comprenant des experts du laboratoire national du Pacifique Nord-Ouest du DOE a développé des films protecteurs autour des anodes qui empêchaient la formation de dendrites.

Transformer l'économie énergétique de notre pays signifie trouver de meilleures façons de stocker l'énergie. Les conclusions de cette étude, fait par le Centre commun de recherche sur le stockage de l'énergie (JCESR) du DOE, pourrait aider les scientifiques à concevoir une anode au lithium métallique sûre et stable et, à terme, ouvrir la voie à l'utilisation pratique de systèmes de batteries à haute densité d'énergie pour les véhicules électriques et le stockage d'énergie renouvelable.

Des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory, plus l'Institut de technologie de Harbin, Université de Wuhan, Institut des sources d'énergie de Tianjin, et le US Army Research Laboratory a évalué l'efficacité d'un additif électrolytique appelé hexafluorophosphate de césium (CsPF6) pour améliorer les performances de la batterie et protéger l'électrode négative ou l'anode.

Les chercheurs ont utilisé la microscopie électronique à balayage à haute résolution avec analyse par rayons X à dispersion d'énergie pour étudier la microstructure et la composition élémentaire, et la spectroscopie photoélectronique à rayons X à haute résolution pour une caractérisation chimique plus détaillée. Les deux instruments sont à l'EMSL, une installation scientifique nationale du DOE.

L'additif CsPF6 a favorisé la croissance sans dendrite de films constitués de nanotiges de lithium étroitement tassées, qui ressemblent à une poignée de nouilles spaghetti sèches. L'additif électrolytique a également favorisé la création d'une couche d'interface d'électrolyte solide riche en lithium. Cette couche complexe se forme rapidement à partir des produits de décomposition dans l'électrolyte de la batterie, la substance dans les batteries qui agit comme un milieu pour conduire les ions lithium entre les électrodes. L'effet combiné de l'additif Cs+ et de la couche SEI a contribué à ce que les ions lithium se déposent en douceur sur la surface, exempt de dendrites, pendant la charge. De plus, les films de lithium sont restés exempts de dendrites après des charges et des utilisations répétées, ou des cycles de dépôt/décapage.

Pris ensemble, les résultats montrent que le CsPF6 favorise une croissance ordonnée et régulière des films de lithium métal, protège l'anode, et améliore les performances de la batterie.

Les chercheurs continuent de comprendre les facteurs qui affectent la formation et l'évolution de la couche SEI et d'autres composants de la batterie pour stabiliser les performances à long terme du lithium métal et d'autres anodes métalliques.