Des chercheurs déterminent la pression optimale pour améliorer les performances des batteries au lithium métal

Des chercheurs déterminent la pression optimale pour améliorer les performances des batteries au lithium métal

Rangée du haut : vue de dessus et coupes transversales du lithium déposé à 70 kilo-Pascals ou kPa (moins d’une atmosphère) Rangée du bas : vue de dessus et coupes transversales du lithium déposé à 350 kPa, ou 3,5 atmosphères La pression plus élevée fait que les particules de lithium dépôt dans des colonnes soigneusement empilées, ce qui augmente le volume de lithium déposé et empêche la porosité. Crédit : Université de Californie à San Diego

Une équipe de scientifiques des matériaux et de chimistes a déterminé la pression de pile appropriée à laquelle les batteries au lithium métal, ou LMB, doivent être soumises pendant le fonctionnement de la batterie afin de produire des performances optimales.

L’équipe, qui comprend des chercheurs de l’Université de Californie à San Diego, de la Michigan State University, de l’Idaho National Laboratory et du General Motors Research and Development Center, présente ses conclusions dans le numéro du 18 octobre de Énergie naturelle.

L’utilisation du lithium métal pour remplacer le graphite des anodes de batteries est l’objectif ultime d’une partie du domaine de la R&D sur les batteries ; ces batteries lithium-métal (LMB) ont le potentiel de doubler la capacité des meilleures technologies lithium-ion actuelles. Par exemple, les véhicules électriques alimentés par batterie lithium métal auraient deux fois plus d’autonomie que les véhicules alimentés par batterie lithium-ion, pour le même poids de batterie.

Malgré cet avantage par rapport aux batteries lithium-ion, les LMB ne sont pas considérés comme une option viable pour alimenter les véhicules électriques ou électroniques, en raison de leur courte durée de vie et des risques potentiels pour la sécurité, en particulier les courts-circuits causés par la croissance des dendrites de lithium. Les chercheurs et les technologues ont remarqué que soumettre les LMB à une pression pendant le cycle de la batterie augmente les performances et la stabilité, aidant à résoudre ce défi de durée de vie. Mais les raisons derrière cela n’étaient pas entièrement comprises.

« Nous avons non seulement répondu à cette question scientifique, mais nous avons également identifié la pression optimale nécessaire », a déclaré Shirley Meng, professeur au département de nanoingénierie de l’UC San Diego et auteur principal de l’article. « Nous avons également proposé de nouveaux protocoles de test pour des performances LMB maximales. »

Dans le Énergie naturelle étude, les chercheurs ont utilisé plusieurs techniques de caractérisation et d’imagerie pour étudier la morphologie des LMB et quantifier les performances lorsque les batteries étaient soumises à différentes pressions.

Ils ont découvert que des niveaux de pression plus élevés forcent les particules de lithium à se déposer dans des colonnes nettes, sans aucun espace poreux entre les deux. La pression nécessaire pour atteindre ce résultat est de 350 kilo Pascal (environ 3,5 atmosphères). En revanche, les batteries soumises à des niveaux de pression plus faibles sont poreuses et les particules de lithium se déposent de manière désordonnée, laissant place à la croissance des dendrites.

Les chercheurs ont également montré que le processus n’affecte pas la structure d’interphase d’électrolyte solide (SEI) des électrolytes des batteries.

Mais les installations de fabrication des LMB devraient être rééquipées pour que cette nouvelle technique soit appliquée.

Une autre façon d’améliorer les performances est de ne pas décharger complètement la batterie pendant le cycle. Au lieu de cela, les chercheurs conservent un réservoir de lithium où la renucléation peut se produire.

Les résultats des chercheurs ont été validés au General Motors Research and Development Center dans le Michigan.

Séparément, les chercheurs de l’Idaho National Laboratory utilisent des simulations de dynamique moléculaire pour comprendre la plage de pression de cheminée utilisée dans ce travail, qui est bien inférieure à celle attendue sur la base de modèles mécaniques macroscopiques. Les chercheurs ont expliqué l’origine mécaniste de ce processus unique.

« Les instituts de recherche devraient continuer à collaborer avec les laboratoires et les industries nationaux pour résoudre les problèmes pratiques dans le domaine des batteries », a déclaré Chengcheng Fang, premier auteur de l’article, qui a obtenu son doctorat. dans le groupe de recherche de Meng et est maintenant membre du corps professoral de la Michigan State University.


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Plus d’information:
Chengcheng Fang, Dépôt et dissolution de lithium adaptés à la pression dans les batteries au lithium métal, Énergie naturelle (2021). DOI : 10.1038 / s41560-021-00917-3. www.nature.com/articles/s41560-021-00917-3

Fourni par l’Université de Californie – San Diego

Citation: Des chercheurs déterminent la pression optimale pour améliorer les performances des batteries au lithium métal (2021, 18 octobre) récupéré le 18 octobre 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-10-optimum-pressure-lithium-metal-batteries.html

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