Des ingénieurs résolvent un mystère sur la voie des batteries plus petites et plus légères
Des filaments métalliques ramifiés peuvent réduire la puissance des batteries au lithium à l'état solide.
Une découverte des chercheurs du MIT pourrait enfin ouvrir la porte à la conception d'un nouveau type de batterie rechargeable au lithium, plus légère, plus compacte et plus sûre que les versions actuelles, que les laboratoires du monde entier recherchent depuis des années.
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La clé de ce bond en avant potentiel dans la technologie des batteries est le remplacement de l'électrolyte liquide qui se trouve entre les électrodes positive et négative par une couche beaucoup plus fine et légère de matériau céramique solide, et le remplacement de l'une des électrodes par du lithium métal solide. Cela permettrait de réduire considérablement la taille et le poids de la batterie et de supprimer le risque de sécurité associé aux électrolytes liquides, qui sont inflammables. Mais cette quête s'est heurtée à un problème de taille : les dendrites.
Les dendrites, dont le nom vient du latin "branches", sont des projections de métal qui peuvent s'accumuler à la surface du lithium et pénétrer dans l'électrolyte solide, pour finalement passer d'une électrode à l'autre et court-circuiter la cellule de la batterie. Les chercheurs n'ont pas réussi à se mettre d'accord sur ce qui donne naissance à ces filaments métalliques, et n'ont pas beaucoup progressé sur la manière de les empêcher et de faire ainsi des batteries solides légères une option pratique.
La nouvelle recherche, publiée aujourd'hui dans la revue Joule dans un article du professeur Yet-Ming Chiang du MIT, de l'étudiant diplômé Cole Fincher et de cinq autres personnes du MIT et de l'université Brown, semble résoudre la question de savoir ce qui provoque la formation des dendrites. Elle montre également comment on peut empêcher les dendrites de traverser l'électrolyte.
Selon M. Chiang, les travaux antérieurs du groupe ont permis de faire une découverte "surprenante et inattendue", à savoir que le matériau électrolyte dur et solide utilisé pour une batterie à l'état solide peut être pénétré par le lithium, qui est un métal très mou, pendant le processus de charge et de décharge de la batterie, car les ions de lithium se déplacent entre les deux côtés.
Ce va-et-vient d'ions entraîne une modification du volume des électrodes. Cela provoque inévitablement des tensions dans l'électrolyte solide, qui doit rester entièrement en contact avec les deux électrodes entre lesquelles il est pris en sandwich. "Pour déposer ce métal, il doit y avoir une expansion du volume car vous ajoutez une nouvelle masse", explique M. Chiang. "Il y a donc une augmentation du volume du côté de la cellule où le lithium est déposé. Et si des défauts, même microscopiques, sont présents, cela va générer une pression sur ces défauts qui peut provoquer des fissures."
Ces contraintes, l'équipe l'a maintenant démontré, provoquent les fissures qui permettent la formation de dendrites. La solution au problème se révèle être plus de stress, appliqué dans la bonne direction et avec la bonne quantité de force.
Alors qu'auparavant, certains chercheurs pensaient que les dendrites se formaient par un processus purement électrochimique, plutôt que mécanique, les expériences de l'équipe démontrent que ce sont les contraintes mécaniques qui causent le problème.
Le processus de formation des dendrites se déroule normalement dans les profondeurs des matériaux opaques de la cellule de la batterie et ne peut être observé directement. Fincher a donc mis au point un moyen de fabriquer des cellules minces en utilisant un électrolyte transparent, ce qui permet de voir et d'enregistrer directement l'ensemble du processus. "Vous pouvez voir ce qui se passe lorsque vous exercez une compression sur le système, et vous pouvez voir si oui ou non les dendrites se comportent d'une manière qui correspond à un processus de corrosion ou de fracture", explique-t-il.
L'équipe a démontré qu'elle pouvait manipuler directement la croissance des dendrites simplement en appliquant et en relâchant une pression, ce qui a pour effet de faire zigzaguer les dendrites en parfait alignement avec la direction de la force.
L'application de contraintes mécaniques à l'électrolyte solide n'élimine pas la formation de dendrites, mais elle permet de contrôler la direction de leur croissance. Cela signifie qu'elles peuvent être orientées de manière à rester parallèles aux deux électrodes et à ne jamais passer de l'autre côté, ce qui les rend inoffensives.
Pour leurs tests, les chercheurs ont utilisé la pression induite par la flexion du matériau, qui a été formé en une poutre avec un poids à une extrémité. Mais ils affirment qu'en pratique, il pourrait y avoir de nombreuses façons différentes de produire la pression nécessaire. Par exemple, l'électrolyte pourrait être constitué de deux couches de matériaux ayant des coefficients de dilatation thermique différents, de sorte qu'il y ait une flexion inhérente du matériau, comme c'est le cas dans certains thermostats.
Une autre approche consiste à "doper" le matériau avec des atomes qui s'y incrustent, le déforment et le laissent dans un état de contrainte permanente. Il s'agit de la même méthode que celle utilisée pour produire le verre ultra-dur utilisé dans les écrans des téléphones intelligents et des tablettes, explique M. Chiang. Et la pression nécessaire n'est pas extrême : les expériences ont montré que des pressions de 150 à 200 mégapascals étaient suffisantes pour empêcher les dendrites de traverser l'électrolyte.
La pression requise est "proportionnelle aux contraintes couramment induites dans les processus de croissance des films commerciaux et dans de nombreux autres processus de fabrication", et ne devrait donc pas être difficile à mettre en œuvre dans la pratique, ajoute Fincher.
En fait, un autre type de contrainte, appelée pression d'empilement, est souvent appliquée aux cellules de batterie, en écrasant essentiellement le matériau dans la direction perpendiculaire aux plaques de la batterie - un peu comme on comprime un sandwich en mettant un poids dessus. On pensait que cela pourrait empêcher les couches de se séparer. Mais les expériences ont maintenant démontré que la pression dans cette direction exacerbe en fait la formation de dendrites. "Nous avons montré que ce type de pression d'empilement accélère en fait la défaillance induite par les dendrites", explique Fincher.
Ce qu'il faut au contraire, c'est une pression le long du plan des plaques, comme si le sandwich était pressé par les côtés. "Ce que nous avons montré dans ce travail, c'est que lorsque vous appliquez une force de compression, vous pouvez forcer les dendrites à se déplacer dans la direction de la compression", explique Fincher, et si cette direction est le long du plan des plaques, les dendrites "n'atteindront jamais l'autre côté".
Cela pourrait enfin rendre pratique la production de batteries utilisant un électrolyte solide et des électrodes en lithium métallique. Non seulement ces batteries fourniraient plus d'énergie dans un volume et un poids donnés, mais elles élimineraient le besoin d'électrolytes liquides, qui sont des matériaux inflammables.
Après avoir démontré les principes de base, la prochaine étape pour l'équipe sera d'essayer de les appliquer à la création d'un prototype de batterie fonctionnel, explique M. Chiang, puis de déterminer exactement les processus de fabrication nécessaires pour produire de telles batteries en quantité. Bien qu'ils aient déposé un brevet, les chercheurs ne prévoient pas de commercialiser eux-mêmes le système, car il existe déjà des entreprises qui travaillent au développement de batteries à l'état solide. "Je dirais qu'il s'agit d'une compréhension des modes de défaillance des batteries à l'état solide dont nous pensons que l'industrie doit être consciente et qu'elle doit essayer d'utiliser pour concevoir de meilleurs produits", dit-il.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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