Des stalactites et stalagmites dans la batterie lithium-ion ?

Qu’il s’agisse d’une voiture électrique, d’un téléphone portable ou d’un tournevis sans fil, de nombreux appareils utilisés quotidiennement utilisent désormais des batteries rechargeables. Cependant, cette tendance a aussi ses inconvénients. Par exemple, certains téléphones portables ont été interdits dans les avions, ou des voitures électriques ont pris feu. Les batteries lithium-ion commerciales modernes sont sensibles aux contraintes mécaniques.

Les « batteries à l’état solide » pourraient apporter une solution. Elles ne contiennent plus de noyau liquide – ce qu’on appelle l’électrolyte – mais sont entièrement constituées d’un matériau solide, par exemple un conducteur ionique en céramique. Elles sont donc mécaniquement robustes, ininflammables, faciles à miniaturiser et insensibles aux fluctuations de température.

Cependant, les batteries à l’état solide présentent des problèmes après plusieurs cycles de charge et de décharge : Alors que les pôles positif et négatif de la batterie sont encore électriquement séparés l’un de l’autre au début, ils finissent par être connectés électriquement l’un à l’autre par des processus internes à la batterie : Des « dendrites de lithium » se développent lentement dans la batterie. Ces dendrites de lithium se développent progressivement au cours de chaque processus de charge jusqu’à ce que les deux pôles soient connectés.

Résultat : la batterie est court-circuitée et « meurt ». Jusqu’à présent, les processus physiques exacts qui interviennent dans ce processus ne sont pas encore bien compris.

Une équipe dirigée par Rüdiger Berger du département de Hans-Jürgen Butt s’est attaquée au problème et a utilisé une méthode de microscopie spéciale pour étudier les processus plus en détail. Ils se sont penchés sur la question de savoir où les dendrites de lithium commencent à se développer. Est-ce que c’est comme dans une grotte d’argile où les stalactites poussent à partir du plafond et les stalagmites à partir du sol jusqu’à ce qu’elles se rejoignent au milieu et forment ce qu’on appelle une « stalagmate » ? Il n’y a pas de haut et de bas dans une batterie – mais les dendrites poussent-elles du pôle négatif vers le pôle positif ou du pôle positif vers le pôle négatif ? Ou bien se développent-elles de manière égale à partir des deux pôles ? Ou existe-t-il des endroits particuliers dans la pile qui conduisent à la nucléation et à la croissance dendritique à partir de là ?

L’équipe de Rüdiger Berger s’est intéressée en particulier aux « joints de grains » dans l’électrolyte solide en céramique. Ces limites sont formées lors de la production de la couche solide : Les atomes des cristaux de la céramique sont en principe disposés de manière très régulière. Cependant, en raison de petites fluctuations aléatoires dans la croissance des cristaux, des structures en forme de lignes se forment là où les atomes sont disposés de manière irrégulière – ce que l’on appelle un « joint de grain ».

Ces joints de grains sont visibles grâce à leur méthode de microscopie, la « Kelvin Probe Force Microscopy« , qui consiste à balayer la surface à l’aide d’une pointe acérée. Chao Zhu, doctorant travaillant avec Rüdiger Berger, explique : « Si la batterie à semi-conducteurs est chargée, la microscopie à sonde de force Kelvin montre que les électrons s’accumulent le long des joints de grains, en particulier près du pôle négatif« . Cela indique que le joint de grain modifie non seulement la disposition des atomes de la céramique, mais aussi sa structure électronique.

En raison de l’accumulation d’électrons – c’est-à-dire de particules négatives – les ions lithium chargés positivement qui se déplacent dans l’électrolyte solide peuvent être réduits en lithium métallique. Résultat : des dépôts de lithium et des dendrites de lithium se forment. Si le processus de charge est répété, la dendrite continuera à se développer jusqu’à ce que les pôles de la batterie soient connectés. La formation de ces stades initiaux de croissance des dendrites n’a été observée qu’au pôle négatif – et encore, uniquement à ce pôle. Aucune croissance n’a été observée au pôle positif opposé.

Les scientifiques espèrent qu’une compréhension précise des processus de croissance leur permettra également de mettre au point des moyens efficaces pour prévenir ou au moins limiter la croissance au pôle négatif, de sorte qu’à l’avenir, les batteries au lithium à l’état solide, plus sûres, puissent également être utilisées dans des applications à large bande.

Image / Les batteries à semi-conducteurs pourraient présenter de nombreux avantages à l’avenir, notamment pour les voitures électriques. Crédit / Xue Zhang / MPI-P