Les batteries au lithium-ion développent souvent des structures en forme d'aiguilles entre les électrodes qui peuvent court-circuiter les batteries et parfois provoquer des incendies. Maintenant, une équipe internationale de chercheurs a trouvé un moyen de faire croître et d'observer ces structures pour comprendre les moyens d'arrêter ou d'empêcher leur apparition.

"Il est difficile de détecter la nucléation d'une telle moustache et d'observer sa croissance car elle est minuscule, " dit Sulin Zhang, professeur de génie mécanique, État de Penn. "La réactivité extrêmement élevée du lithium rend également très difficile l'examen expérimental de son existence et la mesure de ses propriétés."

Les moustaches et les dendrites de lithium sont des structures en forme d'aiguilles de quelques centaines de nanomètres d'épaisseur seulement qui peuvent croître de l'électrode de lithium à travers des électrolytes liquides ou solides vers l'électrode positive, court-circuitant la batterie et provoquant parfois un incendie.

L'équipe collaborative de Chine, Georgia Tech et Penn State ont réussi à faire pousser des moustaches de lithium à l'intérieur d'un microscope électronique à transmission environnementale (ETEM) en utilisant une atmosphère de dioxyde de carbone. La réaction du dioxyde de carbone avec le lithium forme une couche d'oxyde qui aide à stabiliser les moustaches.

Ils rapportent leurs résultats en ligne cette semaine dans Nature Nanotechnologie . L'article est "Révéler la croissance et la génération de stress des trichites de lithium par ETEM-AFM in situ."

De manière innovante, l'équipe a utilisé une pointe de microscope à force atomique (AFM) comme contre-électrode et la technique intégrée ETEM-AFM permet l'imagerie simultanée de la croissance des moustaches et la mesure de la contrainte de croissance. Si le stress de croissance est trop élevé, il pénétrerait et briserait l'électrolyte solide et permettrait aux moustaches de continuer à croître et éventuellement de court-circuiter la cellule.

"Maintenant que nous connaissons la limite du stress de croissance, nous pouvons concevoir les électrolytes solides en conséquence pour l'empêcher, ", a déclaré Zhang. Les batteries à l'état solide à base de lithium métal sont souhaitables en raison d'une plus grande sécurité et d'une densité d'énergie plus élevée.

Cette nouvelle technique sera bien accueillie par les communautés de la mécanique et de l'électrochimie et sera utile dans de nombreuses autres applications, dit Zhang.

La prochaine étape pour l'équipe consiste à examiner la dendrite lorsqu'elle se forme contre un électrolyte à l'état solide plus réaliste sous TEM pour voir exactement ce qui se passe.