(Phys.org) - L'un des plus gros problèmes qui affligent les hautes énergies, les batteries lithium-métal sont des dendrites, qui se forment lorsqu'une partie du lithium de l'électrode commence à se ramifier à l'extérieur de l'électrode et dans l'électrolyte, provoquant des courts-circuits. Afin de contrôler la croissance des dendrites, les chercheurs utilisent des séparateurs à membrane pour tenter de contenir le lithium, mais jusqu'à présent, aucun matériau de séparation ne s'est avéré idéal :les séparateurs en céramique sont cassants et forment des fissures, les séparateurs polymères sont mécaniquement faibles, et les séparateurs de nanofibres efficaces ont été jusqu'à présent très difficiles à fabriquer.

Maintenant, dans une nouvelle étude publiée dans Lettres nano , Xiaoming Hao et al. a peut-être trouvé un matériau de séparation qui semble avoir toutes les propriétés requises pour réaliser une batterie à l'épreuve des dendrites. Les chercheurs ont assemblé des membranes en nanofibres ultrarésistantes fabriquées à partir d'un type de microfibre polymère appelée Zylon (ou PBO). Parce que le Zylon est léger et encore plus résistant que le Kevlar, il a été utilisé dans plusieurs applications de haute technologie, y compris les rovers martiens de la NASA, prototypes d'ascenseur spatial, et des équipements sportifs tels que des snowboards et des raquettes de tennis.

Ici, les chercheurs ont montré que, lorsque les microfibres de Zylon sont exfoliées en nanofibres puis coulées en fines membranes, la combinaison de la force, résistance électrique, et la tolérance à la chaleur élevée en font des séparateurs à membrane exceptionnellement bons pour empêcher la croissance des dendrites dans les batteries au lithium.

"La plus grande importance de ce travail est que des membranes nanoporeuses ultrarésistantes à partir de nanofibres de Zylon exfoliées sont développées, " co-auteur Jian Zhu à l'Université Northwestern à Evanston, Illinois, Raconté Phys.org . « Ces membranes peuvent servir de séparateurs de batterie haute performance pour supprimer les dendrites de lithium et tolérer des conditions extrêmes, comme une température élevée."

Comparé à l'un des séparateurs de batterie de pointe actuels, Celgard 2400, la nouvelle membrane en nanofibres présente des avantages dans plusieurs domaines. Après 230 heures de cyclage d'une batterie avec le Celgard 2400, la surface de l'électrode apparaît moussue avec la croissance de lithium dendritique, tandis qu'une surface d'électrode avec la nouvelle membrane en nanofibres reste lisse même après 700 heures. Cette interdiction de formation de dendrites se traduit par des avantages de performances, y compris une stabilité à long terme plus élevée et une efficacité plus élevée. Les nouvelles membranes en nanofibres sont également plus résistantes à la chaleur, alors que le Celgard 2400 commence à fondre à environ 125° provoquant une panne de la batterie, les batteries avec les nouvelles membranes continuent de fonctionner jusqu'à 185°, le point auquel l'électrolyte se décompose.

À l'avenir, les chercheurs prévoient d'explorer des stratégies de production de masse à faible coût des membranes en nanofibres à l'échelle industrielle.

"Il y a plusieurs directions pour ce domaine à l'avenir, " a déclaré Zhu. " L'une des priorités est que nous recherchons des méthodes de synthèse alternatives à moindre coût et plus respectueuses de l'environnement pour préparer des nanofibres de Zylon (PBO). Notre objectif est de rendre ces membranes suffisamment bon marché pour être plus attractives pour les partenaires industriels. Une autre direction est l'application de ces membranes dans d'autres systèmes de batteries qui pourraient impliquer la formation de dendrites."

Ces systèmes comprennent des batteries à base de soufre, sodium, ou aluminium, ainsi que des supercondensateurs. En raison de leurs propriétés exceptionnelles, les nanofibres pourraient également être utilisées pour renforcer la résistance des hydrogels, aérogels, et divers matériaux composites.

© 2016 Phys.org