Comment éviter les courts-circuits dans les piles au lithium métal ?

La prochaine génération de batteries lithium-métal à haute densité énergétique suscite de grands espoirs, mais avant qu’elles puissent être utilisées dans nos véhicules, il reste des problèmes cruciaux à résoudre. Une équipe de recherche internationale dirigée par l’université de technologie de Chalmers, en Suède, vient d’élaborer des directives concrètes sur la manière dont les batteries doivent être chargées et utilisées, afin de maximiser leur efficacité tout en minimisant le risque de court-circuit.

Les batteries au lithium métal sont l’un des nombreux concepts prometteurs qui pourraient à terme remplacer les batteries au lithium-ion actuellement largement utilisées, notamment dans divers types de véhicules électriques.

Le grand avantage de ce nouveau type de batterie est que la densité énergétique peut être sensiblement plus élevée. En effet, l’une des électrodes d’une cellule de batterie – l’anode – est constituée d’une fine feuille de lithium métallique, et non de graphite, comme c’est le cas dans les batteries lithium-ion.

Sans graphite, la proportion de matière active dans la cellule de la batterie est beaucoup plus élevée, ce qui augmente la densité énergétique et réduit le poids.

L’utilisation du lithium métal comme anode permet également d’utiliser des matériaux à haute capacité à l’autre électrode, la cathode. On peut ainsi obtenir des cellules dont la densité énergétique est trois à cinq fois supérieure au niveau actuel.

Le grand problème, cependant, est la sécurité. Dans deux articles scientifiques récemment publiés dans les prestigieuses revues Advanced Energy Materials et Advanced Science, des chercheurs de l’université de technologie de Chalmers, ainsi que des collègues de Russie, de Chine et de Corée, présentent une méthode permettant d’utiliser le lithium métallique de manière optimale et sûre. Cette méthode consiste à concevoir la batterie de telle sorte que, pendant le processus de charge, le métal ne développe pas de structures pointues en forme d’aiguille, appelées dendrites, qui peuvent provoquer des courts-circuits et, dans le pire des cas, entraîner un incendie de la batterie. La sécurité pendant la charge et la décharge est le facteur clé.

« Les courts-circuits dans les batteries au lithium métal se produisent généralement en raison du dépôt irrégulier du métal pendant le cycle de charge et de la formation de dendrites sur l’anode. Ces aiguilles saillantes font que l’anode et la cathode entrent en contact direct l’une avec l’autre, il est donc crucial de prévenir leur formation. Notre guidage peut maintenant y contribuer« , déclare le chercheur Shizhao Xiong du département de physique de Chalmers.

Plusieurs facteurs différents contrôlent la manière dont le lithium est réparti sur l’anode. Dans le processus électrochimique qui se produit pendant la charge, la structure du lithium métallique est principalement affectée par la densité de courant, la température et la concentration d’ions dans l’électrolyte.

Les chercheurs ont utilisé des simulations et des expériences pour déterminer comment la charge peut être optimisée en fonction de ces paramètres. L’objectif est de créer une structure dense et idéale sur l’anode de lithium métal.

« Obtenir que les ions de l’électrolyte s’arrangent exactement comme il faut lorsqu’ils deviennent des atomes de lithium pendant la charge est un défi difficile à relever. Nos nouvelles connaissances sur la manière de contrôler le processus dans différentes conditions peuvent contribuer à la mise au point de batteries au lithium métal plus sûres et plus efficaces« , déclare le professeur Aleksandar Matic du département de physique de Chalmers.

CREDIT Illustration: Yen Strandqvist/Chalmers University of Technology

La collaboration internationale de recherche entre la Suède, la Chine, la Russie et la Corée est dirigée par le professeur Aleksandar Matic et le chercheur Shizhao Xiong du département de physique de Chalmers. La recherche en Suède est financée par FORMAS, STINT, l'UE et les domaines de pointe de Chalmers.