Comment les batteries sans anode dopent les performances

Des chercheurs ont mis au point un nouveau prototype de batterie au lithium à l’état solide qui non seulement offre une capacité de stockage d’énergie presque deux fois supérieure à celle des batteries lithium-ion classiques, mais qui est également moins susceptible de s’enflammer. Selon une étude parue dans Advanced Materials, l’innovation réside dans l’élimination de l’une des électrodes traditionnelles de la batterie.

Les batteries lithium-ion classiques se composent de deux électrodes – une anode chargée négativement et une cathode chargée positivement – constituées de matériaux capables de stocker et de libérer des ions lithium. L’anode est généralement en graphite, tandis que la cathode est souvent un oxyde métallique. Les deux électrodes interagissent par l’intermédiaire d’électrolytes liquides ou gélifiés dans les piles conventionnelles, tandis que des électrolytes solides, tels que des céramiques, sont utilisés dans les piles à l’état solide.

Les batteries au lithium à l’état solide sont non seulement plus sûres, mais aussi plus compactes que leurs homologues classiques, car les électrolytes solides sont plus petits que les électrolytes liquides ou gélifiés. Cela permet à la nouvelle batterie de produire plus d’énergie pour le même poids ou le même espace.

Dans leur quête d’une batterie à l’état solide stable et de grande capacité, les scientifiques se sont heurtés à des difficultés. Les électrolytes solides à base de sulfure, par exemple, peuvent stocker une quantité importante d’énergie, mais ils peuvent aussi réagir avec les deux électrodes, générant des composés qui entravent la circulation de l’électricité dans les batteries.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont expérimenté le remplacement de l’anode conventionnelle en graphite par un collecteur de courant en cuivre. « Vous éliminez en fait la moitié du matériau interne de la batterie« , explique David Mitlin, auteur principal de l’étude et spécialiste des matériaux à l’université du Texas à Austin. Cela permet non seulement d’augmenter la capacité énergétique de la batterie, mais aussi d’en réduire le coût.

Toutefois, il est difficile d’obtenir des cycles de décharge et de recharge stables dans les batteries à l’état solide sans anode. Dans leur nouvelle étude, les chercheurs ont recouvert le collecteur de courant en cuivre d’une couche ultramince de tellure activé par le lithium. Ce revêtement a permis au lithium métal de se déposer et de se dissoudre uniformément sur le cuivre, empêchant ainsi la formation de structures irrégulières susceptibles de provoquer des courts-circuits et des incendies de batterie.

Par rapport aux batteries lithium-ion commerciales, la nouvelle batterie contient 72 % d’énergie en plus par poids et 95 % d’énergie en plus par volume. Les chercheurs soulignent que le nouveau revêtement peut être produit à l’aide de techniques de fabrication standard, ce qui pourrait faciliter l’augmentation de la production de batteries.

M. Mitlin estime que leurs découvertes pourraient constituer les « principaux chaînons manquants pour la commercialisation à grande échelle de batteries sans anode et à l’état solide« . Il prévient toutefois qu’il reste encore beaucoup à faire avant que ces batteries n’arrivent sur le marché, et que des développements supplémentaires sont nécessaires pour passer de l’échelle du laboratoire à celle du prototype et, enfin, à des applications à grande échelle telles que les véhicules électriques.

La percée des chercheurs dans la technologie des batteries au lithium à l’état solide pourrait révolutionner l’industrie du stockage de l’énergie, en particulier dans les secteurs de l’automobile et des énergies renouvelables. La densité énergétique accrue et les caractéristiques de sécurité de ces nouvelles batteries pourraient améliorer considérablement les performances des véhicules électriques, ce qui les rendrait plus attrayants pour les consommateurs et favoriserait le passage à un mode de transport durable.

Dans le secteur des énergies renouvelables, le développement de solutions de stockage de l’énergie de grande capacité, sûres et efficaces est essentiel pour l’intégration de sources renouvelables intermittentes telles que l’énergie solaire et éolienne. Les batteries au lithium à l’état solide améliorées pourraient remédier aux limitations actuelles liées à la capacité de stockage de l’énergie, favorisant ainsi la transition vers des sources d’énergie plus propres et plus fiables.

Résumé abstract / illustration / Batteries à l’état solide / Dans l’article numéro 2206762, Yijie Liu, David Mitlin, et leurs collègues rapportent une batterie stable sans anode à l’état solide (AF-ASSB) avec un électrolyte solide à base de sulfure (argyrodite Li6PS5Cl). La batterie est obtenue en réglant le mouillage du lithium métallique sur le collecteur de courant en cuivre « vide ».

Sur l’image de couverture, les antilopes qui sprintent représentent les cations de lithium qui se diffusent rapidement dans l’électrolyte sulfuré à l’état solide, avec le coucher de soleil rouge sang derrière elles. L’eau calme en dessous représente l’anode lisse en lithium-métal, tandis que les montagnes représentent les dendrites, que les antilopes évitent.