La batterie à semi-conducteurs se charge en quelques minutes et dure des milliers de cycles
"Les batteries à anode en lithium métal sont considérées comme le Saint-Graal des batteries" : la recherche ouvre la voie à de meilleures batteries
Des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont mis au point une nouvelle batterie au lithium métal qui peut être chargée et déchargée au moins 6 000 fois - plus que n'importe quelle autre cellule de batterie à poche - et qui peut être rechargée en quelques minutes.
La recherche décrit non seulement une nouvelle façon de fabriquer des batteries à l'état solide avec une anode en lithium métal, mais elle offre également une nouvelle compréhension des matériaux utilisés pour ces batteries potentiellement révolutionnaires.
La recherche est publiée dans Nature Materials .
"Les batteries à anode en lithium métal sont considérées comme le Saint-Graal des batteries, car elles ont une capacité dix fois supérieure à celle des anodes commerciales en graphite et pourraient augmenter considérablement la distance de conduite des véhicules électriques", a déclaré Xin Li, professeur agrégé de science des matériaux à la SEAS et auteur principal de l'article. "Notre recherche est une étape importante vers des batteries à l'état solide plus pratiques pour des applications industrielles et commerciales.
L'un des plus grands défis dans la conception de ces batteries est la formation de dendrites à la surface de l'anode. Ces structures poussent comme des racines dans l'électrolyte et percent la barrière qui sépare l'anode de la cathode, provoquant un court-circuit de la batterie, voire un incendie.
Ces dendrites se forment lorsque les ions lithium se déplacent de la cathode vers l'anode pendant la charge et se fixent à la surface de l'anode par un processus appelé placage. Le placage sur l'anode crée une surface inégale et non homogène, comme la plaque dentaire, et permet aux dendrites de s'enraciner. Lors de la décharge, ce revêtement semblable à une plaque dentaire doit être retiré de l'anode et lorsque le placage est inégal, le processus de retrait peut être lent et donner lieu à des nids-de-poule qui induisent un placage encore plus inégal lors de la charge suivante.
En 2021, Li et son équipe ont proposé un moyen de traiter les dendrites en concevant une batterie multicouche qui prend en sandwich différents matériaux de stabilité variable entre l'anode et la cathode. Cette conception multicouche et multimatériau empêchait la pénétration des dendrites de lithium non pas en les arrêtant complètement, mais plutôt en les contrôlant et en les contenant.
Dans cette nouvelle recherche, Li et son équipe empêchent la formation de dendrites en utilisant des particules de silicium de la taille d'un micron dans l'anode pour restreindre la réaction de lithiation et faciliter le dépôt homogène d'une épaisse couche de lithium métal.
Dans cette conception, lorsque les ions lithium se déplacent de la cathode vers l'anode pendant la charge, la réaction de lithiation est restreinte à la surface peu profonde et les ions s'attachent à la surface de la particule de silicium mais ne pénètrent pas plus loin. Ceci est très différent de la chimie des batteries lithium-ion liquides dans lesquelles les ions lithium pénètrent à travers une réaction de lithiation profonde et détruisent finalement les particules de silicium dans l'anode.
Mais dans une batterie à l'état solide, les ions à la surface du silicium sont restreints et subissent le processus dynamique de lithiation pour former un placage de lithium métal autour du noyau de silicium.
"Dans notre conception, le lithium métal s'enroule autour de la particule de silicium, comme une coque de chocolat dur autour d'un cœur de noisette dans une truffe au chocolat", a déclaré M. Li.
Ces particules enrobées créent une surface homogène sur laquelle la densité de courant est uniformément répartie, ce qui empêche la formation de dendrites. Et comme le placage et le décapage peuvent se faire rapidement sur une surface homogène, la batterie peut se recharger en seulement 10 minutes environ.
Les chercheurs ont construit une version de la pile en pochette de la taille d'un timbre-poste, qui est 10 à 20 fois plus grande que la pile en pièce de monnaie fabriquée dans la plupart des laboratoires universitaires. La batterie a conservé 80 % de sa capacité après 6 000 cycles, surpassant ainsi les autres batteries à pochettes actuellement disponibles sur le marché. La technologie a été concédée sous licence par l'Office of Technology Development de Harvard à Adden Energy, une entreprise dérivée de Harvard cofondée par Li et trois anciens élèves de Harvard. L'entreprise a mis à l'échelle la technologie pour construire une batterie de poche de la taille d'un téléphone intelligent.
M. Li et son équipe ont également caractérisé les propriétés qui permettent au silicium de restreindre la diffusion du lithium afin de faciliter le processus dynamique favorisant le dépôt homogène d'une couche épaisse de lithium. Ils ont ensuite défini un descripteur de propriété unique pour décrire ce processus et l'ont calculé pour tous les matériaux inorganiques connus. Ce faisant, l'équipe a mis en évidence des dizaines d'autres matériaux susceptibles d'offrir des performances similaires.
"Des recherches antérieures avaient montré que d'autres matériaux, dont l'argent, pouvaient servir de bons matériaux à l'anode des batteries à l'état solide", a déclaré M. Li. "Notre recherche explique un mécanisme sous-jacent possible du processus et fournit une voie pour identifier de nouveaux matériaux pour la conception de batteries".
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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