Le métal lithium recouvre l'anode hybride de graphène et de nanotubes de carbone dans une batterie créée à l'Université Rice. Le lithium métal enrobe la structure tridimensionnelle de l'anode et évite la formation de dendrites. Crédit :Tour Group/Rice University
Les scientifiques de l'Université Rice ont créé une batterie au lithium métal rechargeable avec une capacité trois fois supérieure à celle des batteries lithium-ion commerciales en résolvant quelque chose qui a longtemps déconcerté les chercheurs :le problème des dendrites.
La batterie Rice stocke le lithium dans une anode unique, un hybride homogène de graphène et de nanotubes de carbone. Le matériau créé pour la première fois à Rice en 2012 est essentiellement une surface de carbone tridimensionnelle qui offre une surface abondante au lithium.
L'anode elle-même se rapproche du maximum théorique pour le stockage du lithium métal tout en résistant à la formation de dendrites dommageables ou de dépôts "mousseux".
Les dendrites ont entravé les tentatives de remplacement du lithium-ion par des batteries au lithium métal avancées qui durent plus longtemps et se chargent plus rapidement. Les dendrites sont des dépôts de lithium qui se développent dans l'électrolyte de la batterie. S'ils pontent l'anode et la cathode et créent un court-circuit, la batterie peut tomber en panne, prendre feu ou même exploser.
Les chercheurs de Rice dirigés par le chimiste James Tour ont découvert que lorsque les nouvelles batteries sont chargées, le lithium métal recouvre uniformément l'hybride de carbone hautement conducteur dans lequel les nanotubes sont liés de manière covalente à la surface du graphène.
Comme indiqué dans le journal de l'American Chemical Society ACS Nano , l'hybride remplace les anodes en graphite dans les batteries lithium-ion courantes qui échangent la capacité contre la sécurité.
Une image au microscope électronique montre un nanotube de carbone uniformément recouvert de lithium métal. Des tests sur l'anode en nanotube de graphène-carbone créée à l'Université Rice montrent qu'elle résiste à la formation de dendrites de lithium qui peuvent endommager les batteries. Crédit :Tour Group/Rice University
"Les batteries lithium-ion ont changé le monde, sans aucun doute, " Tour a dit, "mais ils sont à peu près aussi bons qu'ils vont l'être. La batterie de votre téléphone portable ne durera plus jusqu'à ce qu'une nouvelle technologie arrive."
Il a dit que la forêt de nanotubes de la nouvelle anode, avec sa faible densité et sa grande surface, a beaucoup d'espace pour que les particules de lithium entrent et sortent pendant que la batterie se charge et se décharge. Le lithium est uniformément réparti, étalant le courant transporté par les ions dans l'électrolyte et supprimant la croissance des dendrites.
Bien que la capacité de la batterie prototype soit limitée par la cathode, le matériau d'anode atteint une capacité de stockage de lithium de 3, 351 milliampères-heures par gramme, proche du maximum théorique et 10 fois celui des batteries lithium-ion, Tour dit. En raison de la faible densité du tapis de nanotubes, la capacité du lithium à enduire jusqu'au substrat assure une utilisation maximale du volume disponible, il a dit.
Les chercheurs ont eu leur "Aha!" moment en 2014, lorsque le co-auteur principal Abdul-Rahman Raji, un ancien étudiant diplômé du laboratoire de Tour et maintenant chercheur postdoctoral à l'Université de Cambridge, a commencé à expérimenter avec le lithium métal et l'hybride graphène-nanotube.
« J'ai pensé que le lithium métal avait dû être plaqué sur l'électrode lors de l'analyse des résultats d'expériences menées pour stocker des ions lithium dans le matériau de l'anode combinés à une cathode d'oxyde de lithium et de cobalt dans une cellule complète, " a déclaré Raji. "Nous étions excités parce que le profil de tension de la cellule complète était très plat. À ce moment là, nous savions que nous avions trouvé quelque chose de spécial."
Un graphique montre des nanotubes de carbone liés de manière covalente à un substrat de graphène. Le matériau créé à l'Université Rice est testé en tant qu'anode pour les batteries au lithium métal de grande capacité. Crédit :Tour Group/Rice University
Dans une semaine, Raji et le co-auteur principal Rodrigo Villegas Salvatierra, un chercheur postdoctoral Rice, déposé du lithium métal dans une anode hybride autonome afin de pouvoir l'observer de plus près au microscope. "Nous avons été stupéfaits de ne trouver aucune dendrite cultivée, Et le reste est de l'histoire, " dit Raji.
Pour tester l'anode, le laboratoire Rice a construit des batteries complètes avec des cathodes à base de soufre qui ont conservé 80% de leur capacité après plus de 500 cycles de charge-décharge, environ deux ans d'utilisation pour un utilisateur normal de téléphone portable, Tour dit. Les images au microscope électronique des anodes après les tests n'ont montré aucun signe de dendrites ou de structures ressemblant à de la mousse qui ont été observées sur les anodes plates. A l'oeil nu, les anodes dans les batteries d'un quart étaient sombres lorsqu'elles étaient vides de lithium métal et d'argent lorsqu'elles étaient pleines, les chercheurs ont rapporté.
"Beaucoup de gens qui font des recherches sur les batteries ne fabriquent que l'anode, parce que faire tout le paquet est beaucoup plus difficile, ", a déclaré Tour. "Nous avons dû développer une technologie de cathode proportionnée basée sur le soufre pour accueillir ces anodes de lithium à ultra-haute capacité dans les systèmes de première génération. Nous produisons ces batteries complètes, cathode plus anode, à l'échelle pilote, et ils sont testés."
