Batterie lithium : Une nouvelle méthode d’études de dendrites

Les batteries au lithium-ion ont souvent des structures en forme d’aiguilles entre les électrodes qui peuvent court-circuiter les batteries et parfois provoquer des incendies. Une équipe internationale de chercheurs a maintenant trouvé un moyen de faire croître et d’observer ces structures pour comprendre comment en arrêter ou en prévenir l’apparition.

 » Il est difficile de détecter la nucléation d’un tel cheveu et d’observer sa croissance parce qu’il est minuscule « , a déclaré Sulin Zhang, professeur de génie mécanique à Penn State. « La réactivité extrêmement élevée du lithium rend également très difficile l’examen expérimental de son existence et la mesure de ses propriétés.« 

Les cheveux et les dendrites de lithium sont des structures en forme d’aiguille de quelques centaines de nanomètres d’épaisseur seulement qui peuvent croître de l’électrode de lithium à travers des électrolytes liquides ou solides vers l’électrode positive, court-circuitant la pile et causant parfois un incendie.

L’équipe de collaboration de la Chine, de Georgia Tech et de Penn State a réussi à faire croître des cheveux de lithium à l’intérieur d’un microscope électronique à transmission environnementale (ETEM) en utilisant une atmosphère de dioxyde de carbone. La réaction du dioxyde de carbone avec le lithium forme une couche d’oxyde qui aide à stabiliser les moustaches.

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Ils publient leurs résultats en ligne cette semaine dans Nature Nanotechnology ( « Révélation de la croissance et de la génération de stress des moustaches de lithium par ETEM-AFM in situ. » )

De façon innovatrice, l’équipe a utilisé une pointe de microscope à force atomique (AFM) comme contre-électrode et la technique intégrée ETEM-AFM permet l’imagerie simultanée de la croissance des cheveux et la mesure du stress de croissance. Si le stress de croissance est trop élevé, il pénétrerait et fracturerait l’électrolyte solide et permettrait aux cheveux de continuer à croître et éventuellement de court-circuiter la cellule.

« Maintenant que nous connaissons la limite du stress de croissance, nous pouvons modifier les électrolytes solides en conséquence pour l’empêcher « , a déclaré M. Zhang. Les piles au lithium métal à électrolyte entièrement solide sont souhaitables en raison de leur plus grande sécurité et de leur plus grande densité énergétique.

Cette nouvelle technique sera bien accueillie par les milieux de la mécanique et de l’électrochimie et sera utile dans de nombreuses autres applications, a conclu M. Zhang.

La prochaine étape pour l’équipe est d’examiner la dendrite telle qu’elle se forme par rapport à un électrolyte solide plus réaliste sous TEM pour voir exactement ce qui se passe.