les batteries lithium-ion ne sont plus la référence

Le lithium métal, choisi pour les anodes de batteries en raison de sa densité énergétique supérieure à celle d’autres matériaux, est un choix judicieux. Pourtant, des défis surviennent à l’interface entre l’électrode et l’électrolyte, présentant des opportunités d’amélioration pour obtenir des performances plus sûres et plus efficaces dans les applications futures.

Les défis et les solutions des anodes au lithium métal

Des chercheurs de l’Université Tsinghua souhaitent remplacer l’anode en graphite par une anode au lithium métallique pour construire un système de batterie avec une densité énergétique plus élevée. Cependant, l’anode métallique Li est instable et réagit facilement avec les électrolytes pour former une interphase électrolyte solide (SEI). Malheureusement, le SEI naturel est fragile et fragile, ce qui entraîne une durée de vie et des performances médiocres.

Ici, les chercheurs ont étudié un substitut au SEI naturel, qui pourrait atténuer efficacement les réactions secondaires au sein du système de batterie. La réponse est ASEI : interphase artificielle à électrolyte solide. ASEI corrige certains des problèmes affectant l’anode nue en lithium métallique pour en faire une source d’énergie plus sûre, plus fiable et encore plus puissante qui peut être utilisée avec plus de confiance dans les véhicules électriques et d’autres applications similaires.

Publication et importance de la recherche

Aujourd’hui, les chercheurs ont publié leurs résultats dans Matériaux et dispositifs énergétiques le 25 septembre.

« Les technologies des batteries ont révolutionné notre mode de vie et sont étroitement liées à la vie de chacun. Pour parvenir à une économie véritablement sans carbone, des batteries plus performantes sont nécessaires pour remplacer les batteries Li-ion actuelles », a déclaré Yanyan Wang, auteur et chercheur de l’étude.

Les batteries au lithium métal (LMB) sont un tel candidat. Cependant, l’anode, le lithium métallique, réagit avec l’électrolyte et une couche de passivation, appelée interphase solide-électrolyte, se forme à la surface du lithium métallique pendant le fonctionnement de la batterie. Un autre problème posé par l’anode au lithium métallique est ce que l’on appelle la « croissance de dendrites », apparaissant lors du chargement de la batterie. Les dendrites ressemblent à des structures de branches d’arbres qui provoquent des dommages internes à la batterie, entraînant des courts-circuits, de mauvaises performances et des risques potentiels pour la sécurité. Ces faiblesses réduisent globalement le caractère pratique des LMB et posent certains défis qui doivent être résolus.

Stratégies pour améliorer les anodes au lithium métal

L’examen a présenté certaines stratégies qui peuvent être utilisées pour créer une anode au lithium métal plus efficace et plus sûre. Pour améliorer l’anode au lithium métallique, les chercheurs ont découvert qu’il était nécessaire d’homogénéiser la répartition des ions lithium, ce qui peut contribuer à réduire les dépôts sur les zones chargées négativement des batteries.

Ceci, à son tour, réduira la formation de dendrites, ce qui peut empêcher une décomposition prématurée et un court-circuit. De plus, créer un moyen plus facile pour la diffusion des ions lithium tout en garantissant que les couches sont électriquement isolées peut aider à conserver l’intégrité de la structure, à la fois physiquement et chimiquement, pendant le cycle de la batterie. Plus important encore, la réduction de la contrainte entre l’interface de l’électrode et de l’électrolyte peut garantir une bonne connectivité entre les couches, ce qui constitue un élément essentiel de la fonctionnalité de la batterie.

Potentiel des couches ASEI et orientations futures

Les stratégies qui semblent avoir le plus de potentiel sont les couches ASEI polymères et les couches ASEI hybrides inorganiques-organiques. Les couches polymères ont une capacité d’ajustement suffisante dans leur conception, la résistance et l’élasticité étant facilement réglables. Les couches polymères ont également des groupes fonctionnels similaires à ceux des électrolytes, ce qui les rend extrêmement compatibles ; cette compatibilité est l’un des principaux domaines manquant aux autres composants. Les couches hybrides inorganiques-organiques sont les meilleures pour leur réduction de l’épaisseur de couche et leur nette amélioration de la répartition des composants au sein des couches, ce qui améliore les performances globales de la batterie.

L’avenir des couches ASEI est prometteur mais nécessite quelques améliorations. Les chercheurs souhaiteraient principalement voir une amélioration de l’adhérence des couches ASEI sur la surface du métal, ce qui améliore globalement le fonctionnement et la longévité de la batterie. D’autres domaines qui nécessitent une certaine attention sont la stabilité de la structure et de la chimie au sein des couches, ainsi que la minimisation de l’épaisseur des couches pour améliorer la densité d’énergie des électrodes métalliques. Une fois ces problèmes résolus, la voie à suivre pour une batterie au lithium métal améliorée devrait être bien pavée.

Yanyan Wang, Mingnan Li, Fuhua Yang, Jianfeng Mao et Zaiping Guo de l’École d’ingénierie et de matériaux avancés de l’Université d’Adélaïde ont contribué à cette recherche.