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22 Nov, 2022

Une avancée du MIT ouvre la voie à des batteries à haute densité capables de supporter le stress

Une avancée du MIT ouvre la voie à des batteries à haute densité capables de supporter le stress

Une percée dans notre compréhension de la formation des dendrites a jeté les bases d’une nouvelle race de batteries à haute densité.

Le domaine de la recherche sur les batteries est criblé d’obstacles et de goulets d’étranglement, mais il y a un problème qui revient plus souvent que les autres. Des excroissances semblables à des branches, appelées dendrites, continuent de nuire à la conception de nombreux types de batteries de nouvelle génération, mais une nouvelle recherche dirigée par le MIT prétend avoir découvert la racine du problème et montré comment il peut être annulé par une utilisation intelligente de la contrainte mécanique.

Les dendrites sont de fins filaments métalliques ressemblant à des tentacules qui peuvent se développer sur l’électrode d’une batterie au lithium au cours de son cycle de vie, se faufilant dans l’électrolyte et provoquant des problèmes tels que des courts-circuits, un échauffement indésirable, voire un incendie. Nous avons vu toutes sortes d’approches inventives pour étouffer la croissance des dendrites, mais les auteurs de cette nouvelle étude pensent avoir apporté une nouvelle clarté bien nécessaire à cette question.

Les scientifiques expérimentaient une batterie à l’état solide, une architecture qui comporte un matériau électrolyte solide plutôt qu’un électrolyte liquide classique, lorsqu’ils ont observé quelque chose d’inattendu. Comme dans une batterie classique, les ions de lithium sont transportés entre deux électrodes lorsque le dispositif est chargé et déchargé, dans ce cas, ils passent à travers l’électrolyte solide.

Les chercheurs ont constaté que, même si l’électrolyte solide était constitué d’un matériau relativement dur, le lithium très mou était capable de le pénétrer lorsque les ions se déplaçaient entre les électrodes de chaque côté. Cela résulte des changements de volume des électrodes lorsqu’elles acceptent et déposent du lithium, ce qui peut à son tour entraîner des contraintes mécaniques problématiques.

« Pour déposer ce métal, il doit y avoir une expansion du volume parce que vous ajoutez une nouvelle masse », a déclaré Yet-Ming Chiang, professeur au MIT. « 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 fissures peuvent alors permettre la formation de dendrites, selon les chercheurs. Ils ont pu étudier ce processus dans un matériau électrolyte expérimental conçu pour être transparent. La formation de dendrites se produit généralement dans les matériaux opaques d’une cellule de batterie, ce qui est l’une des raisons pour lesquelles il existe des idées contradictoires sur ce qui la provoque et sur la manière de l’arrêter. En étant en mesure d’observer directement le phénomène, les scientifiques ont pu trouver de nouvelles façons d’empêcher les dendrites de faire des dégâts.

Lors d’expériences de suivi, l’équipe a montré qu’il était possible d’appliquer une contrainte mécanique afin de diriger la croissance des dendrites, en les faisant zigzaguer parfaitement dans le sens de la pression. Bien que la formation des dendrites n’ait pas pu être complètement stoppée, cela signifie qu’elles pourraient potentiellement se développer dans le sens de l’électrode, plutôt que de sortir rapidement pour faire des ravages dans l’électrolyte.

L’équipe en a fait la démonstration en utilisant une pression mécanique pour plier le matériau, et imagine quelques façons de réaliser cela dans une batterie réelle. Le dispositif pourrait incorporer des matériaux ayant des propriétés de dilatation thermique différentes pour induire une flexion et, par conséquent, une contrainte mécanique, ou les matériaux pourraient être dopés avec des atomes qui provoquent des distorsions. Il est important de noter que les pressions requises pour contrôler la croissance des dendrites sont considérées comme tout à fait réalisables, à environ 150 à 200 mégapascals, ce qui, selon l’équipe, ne serait pas difficile à mettre en œuvre.

S’ils y parviennent et conçoivent une batterie qui résout le problème des dendrites en les faisant croître de manière inoffensive à travers les électrodes, ces travaux pourraient débloquer des architectures de nouvelle génération très prometteuses, telles que des batteries au lithium métal à l’état solide. Avec du lithium pur utilisé comme anode à la place du graphite et du cuivre, ces batteries pourraient offrir une densité énergétique plusieurs fois supérieure à celle des batteries actuelles, tout en étant plus légères et plus sûres puisqu’elles n’utilisent pas d’électrolytes liquides inflammables.

À partir de là, l’équipe vise à démontrer une batterie fonctionnelle avec cette forme de contrainte mécanique souhaitée pour diriger la direction de la formation des dendrites.

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(22)00520-7

https://news.mit.edu/2022/controlling-dendrities-lithium-batteries-1118#:~:text=A%20discovery%20by%20MIT%20researchers,around%20the%20world%20for%20years.