Solide

Une nouvelle batterie au lithium entièrement à l'état solide peut non seulement stocker près de deux fois plus d'énergie qu'une batterie lithium-ion standard, mais elle n'est pas non plus susceptible de prendre feu comme ses homologues commerciaux actuels. Le secret du succès de ce nouveau prototype ? Se débarrasser de l'une des électrodes habituelles d'une batterie, selon une nouvelle étude.

Les batteries conventionnelles fournissent de l'électricité via des réactions chimiques entre deux électrodes - l'anode chargée négativement, où les électrons sortent d'une batterie, et la cathode chargée positivement, où les électrons peuvent entrer dans une batterie. Les électrodes d'une batterie lithium-ion typique sont constituées de substances dont les structures peuvent stocker et libérer des ions lithium chargés électriquement. L'anode est souvent composée de graphite, tandis que la cathode est très souvent un oxyde métallique. Ces matériaux d'électrode sont enduits sur des feuilles métalliques qui collectent le courant généré - pour l'anode, ce métal est souvent du cuivre et pour la cathode, de l'aluminium.

Les électrodes des batteries lithium-ion interagissent généralement via des électrolytes liquides ou en gel. Les batteries entièrement à l'état solide utilisent à la place des électrolytes solides constitués de matériaux tels que la céramique.

Les électrolytes solides sont plus compacts que les électrolytes liquides ou en gel. Cela signifie que les batteries entièrement à semi-conducteurs peuvent produire plus d'énergie que les batteries conventionnelles pour le même poids ou l'espace. De plus, les batteries au lithium entièrement à l'état solide sont beaucoup plus sûres que leurs homologues conventionnelles, qui utilisent des électrolytes liquides organiques généralement inflammables.

Beaucoup reste incertain quant à la meilleure façon de créer une batterie stable, utile et entièrement solide. Par exemple, des recherches antérieures ont montré que les électrolytes solides à base de sulfure pourraient aider à créer des batteries capables de stocker beaucoup d'énergie. Cependant, les sulfures de ces électrolytes peuvent réagir avec les deux électrodes, générant des composés qui entravent la circulation de l'électricité dans les batteries.

Les scientifiques ont notamment cherché à améliorer les batteries entièrement à l'état solide en remplaçant leurs anodes en graphite conventionnelles uniquement par un collecteur de courant à feuille de cuivre. Cette stratégie pourrait augmenter considérablement la quantité d'énergie que ces batteries pourraient contenir. "Vous éliminez en fait la moitié du matériau interne de la batterie", déclare l'auteur principal de l'étude, David Mitlin, scientifique des matériaux à l'Université du Texas à Austin. L'utilisation de moins de matériaux réduit également leur coût, ajoute-t-il.

Cependant, un défi majeur auquel la recherche sur les batteries à semi-conducteurs sans anode a été confrontée est le problème auquel elles sont confrontées en passant par des cycles de décharge et de recharge de manière stable. Maintenant, dans une nouvelle étude, les chercheurs montrent qu'un nouveau revêtement peut résoudre ce problème.

Les scientifiques ont expérimenté une batterie entièrement à l'état solide sans anode avec un électrolyte solide à base de sulfure. Ils ont exploré le revêtement de son collecteur de courant en cuivre avec du tellure ultrafin activé au lithium. L'objectif était de contrôler la manière dont le lithium métal se répandait ou "mouillait" le cuivre. Ils ont découvert que ce nouveau revêtement aidait le lithium à se déposer et à se dissoudre du collecteur de courant en cuivre en une fine couche uniforme.

Sans ce nouveau revêtement, les chercheurs ont découvert que la feuille de cuivre se recouvrait de structures microscopiques irrégulières lors de la recharge et de la décharge. Celles-ci incluent des dendrites hérissées qui "peuvent, et entraîneront, des courts-circuits de batterie entre l'anode et la cathode, qui à leur tour peuvent provoquer des incendies de batterie", explique Mitlin. Ils comprennent également des morceaux de "métal mort" et des croûtes de matériau en forme de nid d'abeille qui ont entravé les performances de la batterie. "C'est comme avoir un moteur recouvert d'une épaisse couche de rouille à l'intérieur", dit-il.

La nouvelle batterie peut contenir 72 % d'énergie en plus en poids et 95 % d'énergie en plus en volume que les batteries lithium-ion commerciales. Les chercheurs notent qu'ils pourraient produire le nouveau revêtement sur ces collecteurs de courant en cuivre en utilisant des techniques de fabrication standard. Cela pourrait aider à simplifier l'augmentation de la production de ces nouvelles batteries, ajoutent-ils.

"Ces découvertes peuvent fournir des chaînons manquants clés pour la commercialisation à grande échelle de batteries sans anode et entièrement à l'état solide", a déclaré Mitlin.

Pourtant, bien que cette recherche puisse résoudre un problème critique avec les batteries au lithium à semi-conducteurs sans anode, beaucoup de développement est nécessaire pour les mettre sur le marché, prévient Mitlin. "Il reste encore beaucoup de travail à faire pour que les batteries au lithium à semi-conducteurs sans anode passent de l'échelle du laboratoire à l'échelle du prototype, sans parler de l'échelle de la voiture", dit-il.

Les scientifiques ont détaillé leurs découvertes en ligne le 23 février dans la revue Advanced Materials.