Des travaux récents menés à Stanford, au SLAC et à l’Université de Waterloo montrent qu’une compression mécanique latérale d’un électrolyte céramique empêche les dendrites de court-circuiter une batterie à état solide.
Des travaux de recherche récents apportent un éclairage sur une parade possible. Les batteries à état solide remplacent l’électrolyte liquide des cellules lithium-ion conventionnelles par un matériau céramique solide, une architecture qui pourrait doubler la densité d’énergie. Pendant la charge, des ions lithium peuvent s’infiltrer dans des défauts nanoscopiques de la céramique et se solidifier en dendrites métalliques, des structures en forme d’aiguilles reliant les électrodes et provoquant un court-circuit en quelques secondes. Le mécanisme constitue un obstacle à l’industrialisation de la technologie.
Une équipe dirigée par Teng Cui, aujourd’hui professeur assistant à l’Université de Waterloo, a testé une approche mécanique. Les chercheurs ont utilisé un anneau en alliage à mémoire de forme qui se contracte lorsqu’il est chauffé à 170 degrés Celsius. L’anneau comprime alors l’électrolyte céramique sur les côtés. Sous la pression latérale, des dendrites se sont tout de même formées au niveau des défauts internes, mais leur croissance est devenue horizontale plutôt que verticale vers les électrodes. L’électrolyte compressé a ainsi évité le court-circuit malgré la présence de dendrites.
« Nous avons généré un nombre sans précédent de dendrites, mais elles n’ont pas court-circuité la batterie. Cela montre qu’il existe une relation intime entre mécanique et électrochimie, qui pourrait ouvrir de nouvelles stratégies de conception. », a déclaré Teng Cui.
Une preuve directe par imagerie X
En utilisant les rayons X de la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) au SLAC, les chercheurs ont apporté une preuve directe car les dendrites naissent à l’intérieur même de l’électrolyte, au niveau des pores et des jonctions de joints de grains, et pas uniquement en surface.
L’observation clôt une question de longue date dans le domaine. Deux échelles de temps ont été observées. Tout d’abord, les dendrites de surface apparaissent rapidement, tandis que les dendrites internes se développent plus tard si la croissance en surface est supprimée. La distinction temporelle pourrait aider à cibler les mécanismes de défaillance selon le régime de charge.
Mécanique et électrochimie
Le phénomène observé s’explique par la modification du champ de contraintes dans l’électrolyte. La compression latérale empêche les dendrites de progresser perpendiculairement aux électrodes, les contraignant à suivre une trajectoire parallèle. Ainsi, même en grand nombre, elles ne créent pas de pont conducteur entre cathode et anode.
Vers la commercialisation
La durabilité des cellules compressées, qui fonctionnent pendant des milliers de cycles malgré la présence de nombreuses dendrites internes, indique que la compression pourrait devenir une caractéristique de conception intégrée dans les batteries de demain. Les ingénieurs pourraient aussi chercher à produire des électrolytes présentant moins de défauts internes et une moindre fuite électronique. Selon l’équipe, la compression mécanique et l’amélioration des matériaux ne s’opposent pas : elles peuvent être combinées pour renforcer la stabilité des cellules.
William Chueh, directeur du SLAC-Stanford Battery Center et codirecteur de l’étude avec Wendy Gu, professeure associée à Stanford, juge que les résultats ouvrent une direction concrète pour le stockage d’énergie.
Source : Stanford U.
