L'étudiante diplômée de l'Université Rice Gladys López-Silva tient une anode de lithium métallique avec un film de nanotubes de carbone. Une fois le film attaché, il devient infiltré par des ions lithium et devient rouge. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Les scientifiques de l'Université Rice comptent sur des films de nanotubes de carbone pour fabriquer des Les batteries au lithium métal à charge rapide constituent un remplacement logique pour les batteries lithium-ion courantes.
Le laboratoire Rice du chimiste James Tour a montré que de minces films de nanotubes arrêtent efficacement les dendrites qui se développent naturellement à partir d'anodes métalliques de lithium non protégées dans les batteries. Heures supplémentaires, ces dendrites en forme de tentacules peuvent percer le noyau d'électrolyte de la batterie et atteindre la cathode, provoquant la défaillance de la batterie.
Ce problème a à la fois freiné l'utilisation du lithium métal dans des applications commerciales et encouragé les chercheurs du monde entier à le résoudre.
Le lithium métal se charge beaucoup plus rapidement et contient environ 10 fois plus d'énergie en volume que les électrodes lithium-ion présentes dans à peu près tous les appareils électroniques, y compris les téléphones portables et les voitures électriques.
"L'un des moyens de ralentir les dendrites dans les batteries lithium-ion est de limiter leur vitesse de charge, " Tour a dit. " Les gens n'aiment pas ça. Ils veulent pouvoir recharger leurs batteries rapidement."
La réponse de l'équipe Rice, détaillé dans Matériaux avancés , est simple, peu coûteux et très efficace pour arrêter la croissance des dendrites, Tour dit.
"Ce que nous avons fait s'avère vraiment facile, " dit-il. " Il suffit de recouvrir une feuille de lithium métallique d'un film de nanotubes de carbone à parois multiples. Le lithium dope le film de nanotubes, qui passe du noir au rouge, et le film diffuse à son tour les ions lithium."
Des images au microscope d'anodes métalliques au lithium après 500 cycles de charge/décharge lors de tests à l'Université Rice montrent que la croissance des dendrites est trempée dans l'anode à gauche, protégé par un film de nanotubes de carbone. L'anode au lithium métal non protégée à droite montre des signes de croissance de dendrites. Crédit :Tour Group/Rice University
"Le contact physique avec le lithium métal réduit le film de nanotubes, mais l'équilibre en ajoutant des ions lithium, " a déclaré Rodrigo Salvatierra, chercheur postdoctoral de Rice, co-auteur principal de l'article avec l'étudiante diplômée Gladys López-Silva. "Les ions se répartissent dans tout le film de nanotubes."
Lorsque la batterie est en cours d'utilisation, le film décharge les ions stockés et l'anode de lithium sous-jacente le recharge, maintenir la capacité du film à arrêter la croissance des dendrites.
Le chimiste de l'Université Rice James Tour, la gauche, l'étudiante diplômée Gladys López-Silva et le chercheur postdoctoral Rodrigo Salvatierra utilisent un film de nanotubes de carbone pour empêcher la croissance de dendrites dans les batteries au lithium métal, qui se chargent plus rapidement et détiennent plus de puissance que les batteries lithium-ion actuelles. Crédit :Jeff Filtow/Université Rice
Le film de nanotubes enchevêtrés a trempé efficacement les dendrites sur 580 cycles de charge/décharge d'une batterie de test avec une cathode en carbone sulfuré que le laboratoire a développée lors d'expériences précédentes. Les chercheurs ont rapporté que les piles au lithium métal entier conservaient 99,8% de leur efficacité coulombienne, la mesure de la façon dont les électrons se déplacent dans un système électrochimique.
