Des smartphones aux véhicules électriques, de nombreuses technologies d'aujourd'hui fonctionnent avec des batteries lithium-ion. Cela signifie que les consommateurs doivent garder leurs chargeurs à portée de main. Une batterie iPhone X ne dure que 21 heures de temps de conversation, et le modèle S de Tesla a une autonomie de 335 milles, ce qui signifie que vous pouvez vous attendre à le faire depuis Newark, Delaware à la Providence, Rhode Island, mais pas jusqu'à Boston, sur une seule charge.

Des scientifiques du monde entier, y compris l'inventeur des batteries lithium-ion lui-même, John Goodenough - cherchent des moyens de rendre les batteries rechargeables plus sûres, briquet, et plus puissant.

Maintenant, une équipe internationale de chercheurs dirigée par Bingqing Wei, professeur de génie mécanique à l'Université du Delaware et directeur du Center for Fuel Cells and Batteries, effectue des travaux qui pourraient jeter les bases d'une utilisation plus répandue des batteries au lithium métal qui auraient plus de capacité que les batteries lithium-ion couramment utilisées dans l'électronique grand public aujourd'hui. L'équipe a développé une méthode pour atténuer la formation de dendrites dans les batteries au lithium métal, qu'ils ont décrit dans un article publié dans Lettres nano .

La promesse (et les écueils) des batteries au lithium métal

Dans une batterie lithium-ion, l'anode, ou côté générateur de courant, est fait d'un matériau, comme le graphite, avec des ions lithium qui y sont liés. Les ions lithium s'écoulent vers la cathode, ou côté collecteur de courant.

Dans une batterie au lithium métal, l'anode est en lithium métal. Les électrons circulent de l'anode à la cathode pour produire de l'électricité. Les batteries rechargeables en lithium métal sont très prometteuses car le lithium est le métal le plus électriquement positif et a une très grande capacité.

"Théoriquement, le lithium métal est l'un des meilleurs choix pour les batteries, mais c'est difficile à gérer en pratique, " dit Wei.

Les batteries au lithium métal ont été inefficaces, instable, et même un risque d'incendie jusqu'à présent. Leurs performances sont entravées par les dendrites de lithium, formations qui ressemblent à de minuscules stalagmites faites de gisements de lithium. Lorsqu'une batterie est utilisée, les ions lithium s'accumulent sur l'anode. Heures supplémentaires, les dépôts de lithium deviennent non uniformes, conduisant à la formation de ces dendrites, ce qui peut provoquer un court-circuit de la batterie.

Une nouvelle compréhension

Des groupes de recherche du monde entier ont essayé diverses techniques pour supprimer la formation et la croissance de ces dendrites. Après avoir étudié la littérature, Wei avait découvert que presque toutes les techniques appliquées pouvaient être comprises sous un parapluie :l'introduction d'une couche de matériau poreux dans le système pouvait dissuader les dendrites de s'accumuler sur l'anode.

En utilisant la modélisation mathématique, l'équipe de recherche a découvert qu'un matériau poreux supprimait l'initiation et la croissance des dendrites. Les dendrites qui se sont formées étaient 75 % plus courtes que celles qui se sont formées dans les systèmes dépourvus de membrane poreuse. Pour prouver davantage la conclusion, l'équipe a fabriqué une membrane faite de minuscules fils de nitrure de silicium poreux mesurant chacun moins d'un millionième de mètre. Ils ont ensuite intégré cette membrane dans des cellules au lithium métal dans une batterie et l'ont fait fonctionner pendant 3, 000 heures. Aucune dendrite n'a poussé.

"Cette compréhension fondamentale peut ne pas se limiter au nitrure de silicium que nous avons utilisé, " Wei a dit. " D'autres structures poreuses peuvent faire cela aussi. "

Quoi de plus, ce principe peut également s'étendre à d'autres systèmes de batteries, comme les batteries à base de zinc ou de potassium, il a dit.

« Dans ce domaine des batteries à base de métal, c'est une compréhension à jour, " Il a dit. " C'est le genre de travail qui pourrait avoir un impact élevé. "