Un nouveau modèle offre des solutions potentielles pour l’avenir

Une nouvelle étudepar des chercheurs de l’Université de Stanford ouvre la voie à la construction de batteries lithium-métal meilleures et plus sûres.

Proches cousines des cellules lithium-ion rechargeables largement utilisées dans les appareils électroniques portables et les voitures électriques, les batteries lithium-métal sont extrêmement prometteuses en tant que dispositifs de stockage d'énergie de nouvelle génération. Par rapport aux appareils lithium-ion, les batteries lithium-métal contiennent plus d’énergie, se chargent plus rapidement et pèsent considérablement moins.

Jusqu’à présent, cependant, l’utilisation commerciale des batteries rechargeables au lithium-métal est restée limitée. L’une des principales raisons est la formation de « dendrites » – de fines structures métalliques ressemblant à des arbres qui se développent à mesure que le lithium métallique s’accumule sur les électrodes à l’intérieur de la batterie. Ces dendrites dégradent les performances de la batterie et conduisent finalement à des pannes qui, dans certains cas, peuvent même déclencher dangereusement des incendies.

La nouvelle étude a abordé ce problème de dendrite d’un point de vue théorique. Comme décrit dans l'article publié dans le Journal of The Electrochemical Society, les chercheurs de Stanford ont développé un modèle mathématique qui rassemble la physique et la chimie impliquées dans la formation des dendrites.

Ce modèle a permis de comprendre que l'échange de nouveaux électrolytes (le milieu à travers lequel les ions lithium voyagent entre les deux électrodes à l'intérieur d'une batterie) dotés de certaines propriétés pourrait ralentir, voire arrêter complètement, la croissance des dendrites.

"Le but de notre étude est d'aider à orienter la conception de batteries lithium-métal ayant une durée de vie plus longue", a déclaré l'auteur principal de l'étude, Weiyu Li, doctorant en ingénierie des ressources énergétiques co-dirigé par les professeurs Daniel Tartakovsky et Hamdi Tchelepi. "Notre cadre mathématique prend en compte les principaux processus chimiques et physiques dans les batteries lithium-métal à l'échelle appropriée."

"Cette étude fournit certains détails spécifiques sur les conditions dans lesquelles les dendrites peuvent se former, ainsi que sur les voies possibles pour supprimer leur croissance", a déclaré Tchelepi, co-auteur de l'étude et professeur d'ingénierie des ressources énergétiques à l'École de la Terre, de l'Énergie et de l'Énergie de Stanford. Sciences de l'environnement (Stanford Earth).

Les expérimentateurs s'efforcent depuis longtemps de comprendre les facteurs conduisant à la formation de dendrites, mais le travail en laboratoire demande beaucoup de travail et les résultats se sont révélés difficiles à interpréter. Conscients de ce défi, les chercheurs ont développé une représentation mathématique des champs électriques internes des batteries et du transport des ions lithium à travers le matériau électrolytique, ainsi que d'autres mécanismes pertinents.

Avec les résultats de l’étude en main, les expérimentateurs peuvent se concentrer sur des combinaisons de matériaux et d’architecture physiquement plausibles. "Nous espérons que d'autres chercheurs pourront utiliser les conseils de notre étude pour concevoir des dispositifs dotés des bonnes propriétés et réduire la gamme d'essais et d'erreurs et de variations expérimentales qu'ils doivent effectuer en laboratoire", a déclaré Tchelepi.

Plus précisément, les nouvelles stratégies de conception d'électrolytes préconisées par l'étude incluent la recherche de matériaux anisotropes, ce qui signifie qu'ils présentent des propriétés différentes dans différentes directions. Un exemple classique de matériau anisotrope est le bois, qui est plus résistant dans le sens du fil, visible sous forme de lignes dans le bois, plutôt que contre le fil. Dans le cas d'électrolytes anisotropes, ces matériaux pourraient affiner l'interaction complexe entre le transport des ions et la chimie interfaciale, empêchant ainsi l'accumulation qui entraîne la formation de dendrites. Certains cristaux liquides et gels présentent ces caractéristiques souhaitées, suggèrent les chercheurs.

Une autre approche identifiée par l'étude se concentre sur les séparateurs de batterie, des membranes qui empêchent les électrodes situées aux extrémités opposées de la batterie de se toucher et de court-circuiter. De nouveaux types de séparateurs pourraient être conçus, comportant des pores permettant aux ions lithium de circuler de manière anisotrope à travers l’électrolyte.

L’équipe attend avec impatience de voir d’autres chercheurs scientifiques donner suite aux « pistes » identifiées dans leur étude. Ces prochaines étapes impliqueront la fabrication de dispositifs réels qui s'appuient sur de nouvelles formulations expérimentales d'électrolytes et de nouvelles architectures de batteries, puis des tests qui pourraient s'avérer efficaces, évolutifs et économiques.