Les batteries lithium-métal, qui peuvent contenir jusqu'à 10 fois plus de charge que les batteries lithium-ion qui alimentent actuellement nos téléphones, ordinateurs portables et voitures - n'ont pas été commercialisés à cause d'un défaut fatal :comme ces batteries se chargent et se déchargent, le lithium se dépose de manière inégale sur les électrodes. Cette accumulation réduit la durée de vie de ces batteries trop courte pour les rendre viables, et plus important, peut provoquer un court-circuit et un incendie des batteries.

Maintenant, des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Chicago ont mis au point une solution à ce problème sous la forme d'une « nanofeuille » recouverte d'oxyde de graphène qui, lorsqu'il est placé entre les deux électrodes d'une batterie lithium-métal, empêche le placage inégal du lithium et permet à la batterie de fonctionner en toute sécurité pendant des centaines de cycles de charge/décharge. Ils rapportent leurs découvertes dans le journal Matériaux fonctionnels avancés .

"Nos résultats démontrent que les matériaux bidimensionnels - dans ce cas, oxyde de graphène - peut aider à réguler les dépôts de lithium de manière à prolonger la durée de vie des batteries lithium-métal, " dit Reza Shahbazian-Yassar, professeur agrégé de génie mécanique et industriel à l'UIC College of Engineering et auteur correspondant de l'article.

Les batteries lithium-métal sont si utiles en raison de leur densité énergétique élevée et de leur poids relativement léger par rapport aux batteries conventionnelles. Cependant, au cours de nombreux cycles de charge-décharge, le lithium s'accumule de manière inégale sur l'électrode au lithium métallique de la batterie selon un schéma de ramification ou « dendritique » et provoque finalement la mort de la batterie. Si les dendrites se développent à travers la solution d'électrolyte et entrent en contact avec l'autre électrode, alors la batterie peut subir un événement catastrophique - en d'autres termes, une explosion ou un incendie.

Dans les batteries lithium-ion, un séparateur est placé dans l'électrolyte. Généralement constitué d'un polymère poreux ou de fibres vitrocéramiques, le séparateur laisse passer les ions lithium tout en gardant les autres composants bloqués pour éviter les courts-circuits, qui peut provoquer des incendies.

Reza et ses collègues ont utilisé un séparateur modifié dans une batterie lithium-métal pour moduler le flux d'ions lithium afin de contrôler le taux de dépôt de lithium et voir s'ils pouvaient empêcher la formation de dendrites. Ils ont enduit par pulvérisation un séparateur en fibre de verre d'oxyde de graphène, produisant ce qu'ils ont appelé une nanofeuille.

En utilisant la microscopie électronique à balayage et d'autres techniques d'imagerie, les chercheurs ont montré que lorsque la nanofeuille était utilisée dans une batterie lithium-métal, un film uniforme de lithium formé sur la surface de l'électrode de lithium, ce qui améliore réellement la fonction de la batterie et rend la batterie beaucoup plus sûre, dit Tara Foroozan, un étudiant diplômé de l'UIC College of Engineering et premier auteur de cette étude.

Simulations moléculaires, dirigé par une équipe de chercheurs de la Texas A &M University, suggéré que les ions lithium deviennent temporairement liés à l'oxyde de graphène, puis diffusent à travers des zones de défauts nanoscopiques dans la feuille. Cela retarde suffisamment le passage des ions lithium pour empêcher la formation de dépôt dendritique de lithium sur l'électrode.

"La nanofeuille ralentit suffisamment le passage des ions lithium pour permettre un placage plus uniforme des ions lithium sur la surface de l'électrode, qui aide à préserver la durée de vie de la batterie, " dit Reza.

Résultats des calculs de modélisation du champ de phase menés par Farzad Mashayek, professeur et responsable de l'ingénierie mécanique et industrielle à l'UIC College of Engineering et auteur de l'article, a indiqué que l'oxyde de graphène peut également supprimer mécaniquement la croissance des dendrites de lithium.

"Nous montrons que les matériaux d'oxyde de graphène bidimensionnel sont capables d'empêcher la formation de dendrites en modifiant le taux de diffusion lithium-ion lorsqu'ils traversent les couches d'oxyde de graphène, " a déclaré Shahbazian-Yassar. " Cette méthode a un potentiel très élevé d'application industrielle et d'évolutivité. "