Une batterie au lithium à l’état solide durable et stable

la batterie

Crédit: CC0 Public Domain

Les batteries durables et à chargement rapide sont essentielles à l’expansion du marché des véhicules électriques, mais les batteries lithium-ion d’aujourd’hui ne répondent pas aux besoins: elles sont trop lourdes, trop chères et prennent trop de temps à charger.

Pendant des décennies, les chercheurs ont tenté d’exploiter le potentiel des batteries lithium-métal à semi-conducteurs, qui détiennent beaucoup plus d’énergie dans le même volume et se chargent en une fraction du temps par rapport aux batteries lithium-ion traditionnelles.

« Une batterie lithium-métal est considérée comme le Saint Graal pour la chimie des batteries en raison de sa capacité et de sa densité d’énergie élevées », a déclaré Xin Li, professeur agrégé de science des matériaux à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Science (SEAS). « Mais la stabilité de ces batteries a toujours été médiocre. »

Aujourd’hui, Li et son équipe ont conçu une batterie solide lithium-métal stable qui peut être chargée et déchargée au moins 10 000 fois – bien plus de cycles que ce qui avait été démontré auparavant – à une densité de courant élevée. Les chercheurs ont associé la nouvelle conception à un matériau de cathode commercial à haute densité d’énergie.

Cette technologie de batterie pourrait augmenter la durée de vie des véhicules électriques à celle des voitures à essence – de 10 à 15 ans – sans qu’il soit nécessaire de remplacer la batterie. Avec sa densité de courant élevée, la batterie pourrait ouvrir la voie à des véhicules électriques capables de se recharger complètement en 10 à 20 minutes.

La recherche est publiée dans Nature.

« Nos recherches montrent que la batterie à semi-conducteurs pourrait être fondamentalement différente de la batterie lithium-ion à électrolyte liquide du commerce », a déclaré Li. « En étudiant leur thermodynamique fondamentale, nous pouvons débloquer des performances supérieures et exploiter leurs nombreuses opportunités. »

Le grand défi des batteries lithium-métal a toujours été la chimie. Les batteries au lithium déplacent les ions lithium de la cathode vers l’anode pendant la charge. Lorsque l’anode est en lithium métal, des structures en forme d’aiguille appelées dendrites se forment à la surface. Ces structures poussent comme des racines dans l’électrolyte et percent la barrière séparant l’anode et la cathode, provoquant un court-circuit ou même un incendie de la batterie.

Pour surmonter ce défi, Li et son équipe ont conçu une batterie multicouche qui prend en sandwich différents matériaux de stabilité variable entre l’anode et la cathode. Cette batterie multicouche et multimatériaux empêche la pénétration des dendrites de lithium non pas en les arrêtant complètement mais plutôt en les contrôlant et en les contenant.

Pensez à la batterie comme à un sandwich BLT. Vient d’abord le pain – l’anode au lithium métal – suivi de la laitue – une couche de graphite. Ensuite, une couche de tomates – le premier électrolyte – et une couche de bacon – le deuxième électrolyte. Terminez avec une autre couche de tomates et le dernier morceau de pain, la cathode.

Le premier électrolyte (nom chimique Li5.5PS4.5Cl1.5 ou LPSCI) est plus stable avec le lithium mais enclin à la pénétration de dendrite. Le deuxième électrolyte (Li10Ge1P2S12 ou LGPS) est moins stable avec le lithium mais semble immunisé contre les dendrites. Dans cette conception, les dendrites peuvent croître à travers le graphite et le premier électrolyte, mais sont arrêtées lorsqu’elles atteignent le second. En d’autres termes, les dendrites poussent à travers la laitue et la tomate mais s’arrêtent au bacon. La barrière de bacon empêche les dendrites de pénétrer et de court-circuiter la batterie.

«Notre stratégie d’incorporation de l’instabilité afin de stabiliser la batterie semble contre-intuitive, mais tout comme une ancre peut guider et contrôler une vis entrant dans un mur, notre conception multicouche peut également guider et contrôler la croissance des dendrites», a déclaré Luhan Ye, co -auteur du papier et étudiant diplômé de SEAS. « La différence est que notre ancrage devient rapidement trop serré pour que la dendrite puisse percer, de sorte que la croissance de la dendrite est arrêtée », a ajouté Li.

La batterie s’auto-guérit également; sa chimie lui permet de combler les trous créés par les dendrites.

«Cette conception de preuve de concept montre que les batteries à semi-conducteurs lithium-métal pourraient être compétitives par rapport aux batteries lithium-ion commerciales», a déclaré Li. «Et la flexibilité et la polyvalence de notre conception multicouche la rendent potentiellement compatible avec les procédures de production de masse dans l’industrie des batteries. La mise à l’échelle jusqu’à la batterie commerciale ne sera pas facile et il y a encore des défis pratiques, mais nous pensons qu’ils seront surmontés.  »


L’équipe développe une batterie au sodium stable, efficace et sans anode


Plus d’information:
Une stratégie de conception de stabilité dynamique pour les batteries à semi-conducteurs au lithium métal, Nature (2021). DOI: 10.1038 / s41586-021-03486-3

Fourni par Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences

Citation: Une batterie au lithium solide durable et stable (2021, 12 mai) récupérée le 12 mai 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-05-long-lasting-stable-solid-state-lithium-battery .html

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