La croissance des dendrites de lithium : une question de température

Dans le domaine des batteries au lithium, la croissance des dendrites de lithium est un sujet de recherche majeur. Ces structures, qui se forment lors de la recharge des batteries, peuvent causer des courts-circuits et réduire l’efficacité de la batterie. Récemment, une équipe de chercheurs de l’Université de Shanghai a mené une étude approfondie sur le rôle de la température dans ce processus.

Les simulations de champ de phase électrochimique

Siqi Shi, auteur principal de l’étude et membre de l’École des Sciences des Matériaux et de l’Ingénierie de l’Université de Shanghai, a précisé : « De grands efforts de simulation de champ de phase électrochimique ont été consacrés récemment à l’exploration du mécanisme de croissance des dendrites sous l’effet du champ de température. L’uniformité de la distribution de la température à l’intérieur des batteries a un impact substantiel sur la stabilité de l’électrodéposition et de la dissolution du Li, et le mécanisme sous-jacent à la croissance des dendrites de Li dépendant de la température reste controversé. »

Le scientifique chinois a également expliqué que diverses méthodes de simulation sont utilisées pour étudier les dendrites de Li à différentes échelles, englobant la théorie fonctionnelle de la densité, la dynamique moléculaire, le Monte Carlo cinétique, et l’approche de champ de phase.

« La simulation de champ de phase est apparue comme un outil essentiel pour comprendre la dynamique de croissance des dendrites de Li dépendant de la température et de multiples champs physiques, et excelle dans l’adressage de l’évolution morphologique complexe et du couplage de multiples champs physiques. » a t-il ajouté.

Les limites de la méthode de simulation

Toutefois, cette méthode de simulation présente encore certains problèmes. « La dépendance de ce modèle sur les données expérimentales limite son applicabilité à d’autres systèmes de batteries », a insisté Siqi Shi.

En même temps, l’équipe a étudié l’effet de la température initiale sur la morphologie des dendrites de Li à travers le coefficient de diffusion ionique dépendant de la température, le coefficient de réaction, et la conductivité, mais n’a pas couplé le champ de température.

La température et la croissance des dendrites

De manière intéressante, l’équipe a couplé le champ de température pour étudier l’effet de la température initiale sur la morphologie des dendrites de Li, et a donné une image unifiée pour les effets apparemment contradictoires de l’augmentation de la température sur la promotion des dendrites, l’inhibition des dendrites, et les effets doubles dans différents types d’électrolytes.

« Il est peut-être nécessaire de considérer de manière exhaustive le coefficient de diffusion de Li+ dépendant de la température, le coefficient de réaction électrochimique, et la distribution de la température initiale dans le modèle de champ de phase », a ajouté Siqi Shi.

En synthèse

En 2018, un modèle de champ de phase électrochimique combinant uniquement le transfert de chaleur a été établi en utilisant le coefficient de diffusion de Li+ dépendant de la température et a trouvé que le chauffage interne et l’augmentation de la température initiale uniforme peuvent inhiber la croissance des dendrites.

Récemment, un modèle thermique précis a été ajusté en formulant les conductivités dépendantes de la température expérimentale de l’électrode et de l’électrolyte, la tension de surface, la réaction, et les coefficients de diffusion, et a trouvé que la formation de dendrites est favorisée par l’élévation de la température.

« Diverses stratégies pour réguler la croissance des dendrites de Li ont été développées, y compris des modifications d’un composant spécifique de la batterie et des applications de champs externes tels que la pression, le champ magnétique, l’onde acoustique, le champ lumineux, le champ électrique, et le champ de température », a précisé le chercheur chinois. « Dans cet article, nous établissons un diagramme de mécanisme corrélant le ratio d’énergie d’activation, la température initiale uniforme, et la hauteur maximale des dendrites, qui unifie les résultats de simulation apparemment contradictoires. »

Les chercheurs ont découvert que pour une température initiale non uniforme, les résultats de la simulation montrent qu’un gradient de température positif le long du courant de décharge facilite l’électrodéposition uniforme de Li+ et qu’il faut éviter les points chauds locaux. Ainsi, « Les résultats de cette étude fournissent des informations précieuses pour les avancées futures dans la régulation de la température pour contrôler la croissance des dendrites. »

« Les anodes en métal de lithium sont considérées comme des matériaux d’anode très prometteurs pour les batteries à base de Li, mais la croissance inévitable des dendrites sur l’anode de Li entraîne une faible efficacité de Coulomb et d’autres problèmes », a t-il donné comme information complémentaire. « Pour promouvoir davantage l’application pratique des batteries au lithium métallique, nous devons comprendre précisément le mécanisme de croissance des dendrites de lithium. »

Pour une meilleure compréhension

1. Qu’est-ce que la croissance des dendrites de lithium ?

La croissance des dendrites de lithium est un phénomène qui se produit lors de la recharge des batteries au lithium. Ces structures, qui se forment sur l’anode, peuvent causer des courts-circuits et réduire l’efficacité de la batterie.

2. Quel est le rôle de la température dans ce processus ?

La température a un impact significatif sur la croissance des dendrites de lithium. La distribution uniforme de la température à l’intérieur des batteries influence la stabilité de l’électrodéposition et de la dissolution du lithium.

3. Quelles sont les méthodes utilisées pour étudier les dendrites de lithium ?

Plusieurs méthodes de simulation sont utilisées pour étudier les dendrites de lithium à différentes échelles, y compris la théorie fonctionnelle de la densité, la dynamique moléculaire, le Monte Carlo cinétique, et l’approche de champ de phase.

4. Quels sont les problèmes rencontrés avec ces méthodes de simulation ?

La principale limitation de ces méthodes de simulation est leur dépendance sur les données expérimentales, ce qui limite leur applicabilité à d’autres systèmes de batteries.

5. Quelles sont les stratégies pour réguler la croissance des dendrites de lithium ?

Plusieurs stratégies ont été développées pour réguler la croissance des dendrites de lithium, y compris des modifications d’un composant spécifique de la batterie et des applications de champs externes tels que la pression, le champ magnétique, l’onde acoustique, le champ lumineux, le champ électrique, et le champ de température.

Article : « Unified Picture on Temperature Dependence of Lithium Dendrite Growth via Phase-Field Simulation » – DOI: 10.34133/energymatadv.0053

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