Une nouvelle conception de batterie développée en Corée du Sud pourrait contribuer à la mise au point de batteries à charge rapide et à haute densité.
Des scientifiques du Conseil national de la recherche scientifique et technologique de Corée du Sud ont mis en évidence une nouvelle architecture de batterie prometteuse, qui pourrait permettre d’améliorer considérablement la capacité et les temps de charge. Cette percée découle d’une nouvelle conception de batteries au lithium métal à haute densité qui contrôle soigneusement les croissances ioniques problématiques, ce qui lui permet de conserver sa fonction pendant des centaines de cycles.
Les batteries au lithium utilisées aujourd’hui sont dotées d’une anode en graphite, mais si les scientifiques parvenaient à utiliser du lithium métal pur à la place, cela représenterait une avancée considérable dans la technologie du stockage de l’énergie. En effet, le lithium métal a une capacité théorique environ 10 fois supérieure, soit 3 860 mAh/g contre 372 mAh/g pour le graphite, ce qui permettrait aux véhicules électriques d’aller beaucoup plus loin à chaque charge, par exemple, ou aux smartphones de fonctionner pendant une semaine.
Mais ces batteries produisent de l’énergie par le biais de réactions chimiques différentes, ce qui pose une autre série de problèmes à résoudre. Lorsqu’une batterie lithium-métal est soumise à des cycles, les ions lithium se développent de manière inégale sur la surface de l’anode en formations en forme de tentacules appelées dendrites. Ces protubérances peuvent provoquer une dilatation de l’anode et un court-circuit ou un incendie de la batterie. De nombreuses recherches se concentrent sur la résolution de ce problème.
Les auteurs de cette nouvelle étude ont abordé le problème avec une structure de carbone poreux comportant un noyau creux, qui sert d’anode. Ces hôtes cœur-coquille, comme on les appelle, sont considérés comme une perspective intéressante dans ce domaine, car ils sont capables d’empêcher la croissance des dendrites et l’expansion du volume en stockant le lithium dans un cœur creux pendant le cycle. Cependant, ils souffrent de mauvaises performances électrochimiques d’une autre manière, avec une croissance indésirable du lithium qui se forme toujours à la surface de la structure pendant le fonctionnement, ce que l’on appelle le placage supérieur.
L’équipe a mis au point une nouvelle conception de ces structures qui incorpore une petite quantité de nanoparticules d’or dans le noyau creux. Ces particules ont une affinité pour les ions lithium et sont donc capables de contrôler la direction de leur croissance, en les attirant dans le noyau, tout en créant des pores à l’échelle nanométrique dans l’enveloppe pour favoriser la migration des ions lithium vers le centre creux.
Cela a permis d’éviter la croissance des dendrites et le placage supérieur, et la conception de la batterie qui en résulte a montré un grand potentiel dans les expériences simulées de l’équipe. Le dépôt d’ions de lithium a été maintenu à l’intérieur de la structure dans des conditions de charge à courant élevé, ce qui lui a permis de conserver 82,5 % de sa capacité sur 500 cycles de charge à une densité de courant élevée. L’équipe pense que cette longévité et cette tolérance aux fortes densités de courant laissent présager une batterie de haute capacité qui pourra non seulement tenir la distance, mais aussi être rechargée rapidement.
« Malgré le mérite de la haute capacité, les batteries Li-métal doivent surmonter de nombreux obstacles pour être commercialisées, principalement en raison de problèmes de stabilité et de sécurité », a déclaré le Dr Byung Gon Kim, qui a dirigé l’équipe de recherche. « Notre étude est précieuse dans la mesure où nous avons mis au point une technique de production de masse de réservoir Li-métal à haut rendement coulombien pour les batteries Li-métal à recharge rapide. »
L’équipe travaille à la commercialisation de la technologie de la batterie, mais devra d’abord développer une solution d’électrolyte compatible pour transporter les ions pendant l’utilisation.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c01309
