Une nouvelle étude pourrait aider à mettre au point des batteries "révolutionnaires" pour les véhicules électriques et l'aviation
Mise en évidence des mécanismes à l'origine de la défaillance des batteries lithium-métal à l'état solide
Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l'Université d'Oxford et publiée dans la revue Nature pourrait permettre de se rapprocher d'une amélioration significative des batteries des véhicules électriques. Grâce à des techniques d'imagerie avancées, cette étude a révélé les mécanismes à l'origine de la défaillance des batteries à semi-conducteurs au lithium métal (Li-SSB). Si ces mécanismes peuvent être surmontés, les batteries à l'état solide utilisant des anodes en lithium métal pourraient améliorer considérablement l'autonomie, la sécurité et les performances des batteries des véhicules électriques et contribuer à faire progresser l'aviation à propulsion électrique.
L'un des co-auteurs principaux de l'étude, Dominic Melvin, étudiant en doctorat au département des matériaux de l'Université d'Oxford, a déclaré : "Faire progresser les batteries à l'état solide avec des anodes en lithium-métal est l'un des défis les plus importants auxquels est confrontée l'évolution des technologies des batteries. Les batteries lithium-ion actuelles continueront à s'améliorer, mais la recherche sur les batteries à l'état solide a le potentiel d'être très rentable et de changer la donne".
Les Li-SSB se distinguent des autres batteries car elles remplacent l'électrolyte liquide inflammable des batteries conventionnelles par un électrolyte solide et utilisent du lithium métal comme anode (électrode négative). L'utilisation d'un électrolyte solide améliore la sécurité et l'utilisation de lithium métal permet de stocker plus d'énergie. Les Li-SSB posent toutefois un problème majeur : ils sont susceptibles de se court-circuiter lors de la charge en raison de la formation de "dendrites", c'est-à-dire de filaments de lithium métal qui se fissurent à travers l'électrolyte en céramique. Dans le cadre du projet SOLBAT de l'institution Faraday, des chercheurs des départements des matériaux, de la chimie et des sciences de l'ingénieur de l'université d'Oxford ont mené une série d'études approfondies pour mieux comprendre comment ce court-circuit se produit.
Dans cette dernière étude, le groupe a utilisé une technique d'imagerie avancée appelée tomographie à rayons X à la Diamond Light Source pour visualiser la rupture des dendrites avec des détails sans précédent pendant le processus de charge. La nouvelle étude d'imagerie a révélé que l'initiation et la propagation des fissures des dendrites sont des processus distincts, régis par des mécanismes sous-jacents distincts. Les fissures de dendrite apparaissent lorsque le lithium s'accumule dans les pores sous la surface. Lorsque les pores sont pleins, la poursuite de la charge de la batterie augmente la pression, ce qui entraîne la formation de fissures. En revanche, la propagation se produit lorsque le lithium ne remplit que partiellement la fissure, par le biais d'un mécanisme d'ouverture en coin qui ouvre la fissure par l'arrière.
Cette nouvelle compréhension ouvre la voie à la résolution des problèmes technologiques posés par les batteries Li-SSB. Dominic Melvin a déclaré : "Par exemple, si la pression exercée sur l'anode de lithium peut être bénéfique pour éviter l'apparition de lacunes à l'interface avec l'électrolyte solide lors de la décharge, nos résultats démontrent qu'une pression trop élevée peut être préjudiciable, en favorisant la propagation des dendrites et les courts-circuits lors de la charge".
Sir Peter Bruce, titulaire de la chaire Wolfson, professeur de matériaux à l'université d'Oxford, scientifique en chef de la Faraday Institution et auteur correspondant de l'étude, a déclaré : "Le processus par lequel un métal mou tel que le lithium peut pénétrer dans un électrolyte céramique dur très dense s'est avéré difficile à comprendre, malgré les nombreuses contributions importantes d'excellents scientifiques du monde entier. Nous espérons que les connaissances supplémentaires que nous avons acquises contribueront à faire progresser la recherche sur les batteries à l'état solide vers un dispositif pratique".
Selon un rapport récent de la Faraday Institution, les SSB pourraient satisfaire 50 % de la demande mondiale de batteries dans l'électronique grand public, 30 % dans les transports et plus de 10 % dans l'aéronautique d'ici 2040.
Le professeur Pam Thomas, PDG de la Faraday Institution, a déclaré : "Les chercheurs de SOLBAT continuent à développer une compréhension mécanique de la défaillance des batteries à l'état solide - un obstacle qui doit être surmonté avant que des batteries de haute puissance avec des performances commercialement pertinentes puissent être réalisées pour des applications automobiles. Le projet fournit des informations sur les stratégies que les fabricants de cellules pourraient utiliser pour éviter la défaillance des cellules pour cette technologie. Cette recherche inspirée par les applications est un excellent exemple du type d'avancées scientifiques pour lesquelles l'institution Faraday a été créée.
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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