Alors que les batteries lithium-ion, largement utilisé dans les appareils mobiles, des téléphones portables aux ordinateurs portables, ont l'une des plus longues durées de vie des batteries commerciales aujourd'hui, ils ont également été à l'origine d'un certain nombre d'effondrements et d'incendies récents dus à des courts-circuits dans les appareils mobiles. Dans l'espoir d'éviter davantage de ces dysfonctionnements dangereux, les chercheurs de l'Université Drexel ont développé une recette qui peut transformer la solution d'électrolyte - un composant clé de la plupart des batteries - en une protection contre le processus chimique qui conduit aux catastrophes liées aux batteries.

Youri Gogotsi, Doctorat, Distingué Université et professeur Bach au Collège d'Ingénierie, et son équipe de recherche du Département de science et génie des matériaux, ont récemment publié leur travail, intitulé "Nanodiamonds Suppress Growth of Lithium Dendrites", dans la revue Communication Nature . Dedans, ils décrivent un processus par lequel les nanodiamants - de minuscules particules de diamant 10, 000 fois plus petit que le diamètre d'un cheveu-réduire le dépôt électrochimique, appelé placage, pouvant entraîner un court-circuit dangereux des batteries lithium-ion.

Comme les batteries sont utilisées et chargées, la réaction électrochimique se traduit par le mouvement d'ions entre les deux électrodes d'une batterie, qui est l'essence d'un courant électrique. Heures supplémentaires, ce repositionnement des ions peut créer des accumulations ressemblant à des vrilles, presque comme des stalactites se formant à l'intérieur d'une grotte. Ces accumulations de batterie, appelés dendrites, sont l'une des principales causes de dysfonctionnement de la batterie au lithium. Au fur et à mesure que les dendrites se forment à l'intérieur de la batterie, ils peuvent atteindre le point où ils poussent à travers le séparateur, un film polymère poreux qui empêche la partie chargée positivement d'une batterie de toucher la partie chargée négativement. Lorsque le séparateur est rompu, un court-circuit peut se produire, ce qui peut également provoquer un incendie car la solution d'électrolyte dans la plupart des batteries lithium-ion est hautement inflammable.

Pour éviter la formation de dendrites et minimiser la probabilité d'incendie, les conceptions de batterie actuelles comprennent une électrode en graphite rempli de lithium au lieu de lithium pur. L'utilisation du graphite comme hôte du lithium empêche la formation de dendrites. Mais le graphite intercalé au lithium stocke également environ 10 fois moins d'énergie que le lithium pur. La percée réalisée par l'équipe de Gogotsi signifie qu'une forte augmentation du stockage d'énergie est possible car la formation de dendrites peut être éliminée dans les électrodes de lithium pur.

« La sécurité des batteries est un enjeu clé pour cette recherche, " a déclaré Gogotsi. " Les petites piles primaires dans les montres utilisent des anodes au lithium, mais ils ne sont déchargés qu'une seule fois. Lorsque vous recommencez à les charger encore et encore, les dendrites commencent à pousser. Il peut y avoir plusieurs cycles de sécurité, mais tôt ou tard un court-circuit se produira. Nous voulons éliminer ou, au moins, minimiser cette possibilité."

Gogotsi et ses collaborateurs de l'Université Tsinghua de Pékin, et l'Université des sciences et technologies Hauzhong à Wuhan, Chine, ont concentré leurs travaux sur la stabilisation des anodes au lithium et l'uniformisation du placage au lithium afin que les dendrites ne se développent pas.

Ils le font en ajoutant des nanodiamants à la solution d'électrolyte dans une batterie. Les nanodiamants sont utilisés depuis un certain temps dans l'industrie de la galvanoplastie pour rendre les revêtements métalliques plus uniformes. Alors qu'ils sont beaucoup, beaucoup plus petit et moins cher que les diamants que l'on trouve dans un écrin de bijoutier, les nanodiamants conservent toujours la structure et la forme régulières de leurs ancêtres coûteux. Lorsqu'ils sont déposés, ils glissent naturellement ensemble pour former une surface lisse.

Les chercheurs ont trouvé cette propriété extrêmement utile pour éliminer la formation de dendrites. Dans le journal, ils expliquent que les ions lithium peuvent facilement se fixer aux nanodiamants, Ainsi, lorsqu'ils plaquent l'électrode, ils le font de la même manière que les particules de nanodiamant auxquelles ils sont liés. Ils rapportent dans l'article que le mélange de nanodiamants dans la solution d'électrolyte d'une batterie au lithium-ion ralentit la formation de dendrite à néant sur 100 cycles de charge-décharge.

Si vous y pensez comme un jeu de Tetris, cette pile de blocs dépareillés se rapprochant dangereusement du "game over" est l'équivalent d'une dendrite. Ajouter des nanodiamants au mélange, c'est un peu comme utiliser un code de triche qui glisse chaque nouveau bloc au bon endroit pour compléter une ligne et empêcher la formation d'une tour menaçante.

Gogotsi note que la découverte de son groupe n'est que le début d'un processus qui pourrait éventuellement voir des additifs électrolytiques, comme les nanodiamants, largement utilisé pour produire des batteries au lithium sûres à haute densité énergétique. Les premiers résultats montrent déjà un cycle de charge-décharge stable jusqu'à 200 heures, qui est assez long pour une utilisation dans certaines applications industrielles ou militaires, mais pas tout à fait suffisant pour les batteries utilisées dans les ordinateurs portables ou les téléphones portables. Les chercheurs doivent également tester un grand nombre de cellules de batterie sur une période suffisamment longue dans diverses conditions physiques et températures pour s'assurer que les dendrites ne se développeront jamais.

"Cela change potentiellement la donne, mais il est difficile d'être certain à 100% que les dendrites ne pousseront jamais, " a déclaré Gogotsi. " Nous prévoyons que la première utilisation de notre technologie proposée sera dans des applications moins critiques, pas dans les téléphones portables ou les batteries de voiture. Pour assurer la sécurité, additifs aux électrolytes, comme les nanodiamants, doivent être combinés avec d'autres précautions, comme l'utilisation d'électrolytes ininflammables, des matériaux d'électrode plus sûrs et des séparateurs plus résistants."