Les batteries au lithium, bien que prometteuses pour l’avenir énergétique, sont confrontées à des défis majeurs liés à leur durabilité et sécurité. Les chercheurs cherchent continuellement des solutions pour prolonger la vie des anodes en lithium, un matériau clé pour les batteries de nouvelle génération. Une récente innovation pourrait changer la donne dans ce domaine.
Les chercheurs de l’Institut KAIST ont récemment annoncé des avancées dans la prolongation de la vie utile des anodes en lithium. Leur méthode, développée par le professeur Il-Doo Kim du département de science et ingénierie des matériaux, en collaboration avec le professeur Jiyoung Lee de l’Université Ajou, repose sur l’utilisation de nanofibres creuses et écologiques pour protéger les anodes.
Le 2 décembre, l’Institut KAIST, sous la direction du président Kwang Hyung Lee, a révélé que leurs travaux avaient permis de stabiliser la croissance du lithium et d’améliorer de manière substantielle la longévité des batteries au lithium métal.
Les limites des techniques protectrices conventionnelles
Les technologies traditionnelles de couches protectrices, qui consistent à appliquer un revêtement sur le lithium pour former une interface artificielle avec l’électrolyte, ont souvent recours à des procédés toxiques et à des matériaux coûteux. Ces méthodes n’ont apporté que des améliorations limitées à la durée de vie des anodes en lithium.
Pour surmonter ces obstacles, l’équipe du professeur Kim a proposé une nouvelle approche avec des nanofibres creuses. Ces nanofibres, fabriquées par un procédé d’électrofilage respectueux de l’environnement, utilisent la gomme de guar, extraite des plantes, comme matériau principal et l’eau comme unique solvant.
Le procédé d’électrofilage et la gomme de guar
L’électrofilage est une technique où des solutions polymères sont soumises à un champ électrique, permettant de produire des fibres continues de diamètres variant de quelques nanomètres à plusieurs micromètres. La gomme de guar, un polymère naturel composé principalement de monosaccharides, régule les interactions avec les ions lithium grâce à ses groupes fonctionnels oxydés.
La couche protectrice de nanofibres contrôle efficacement les réactions chimiques réversibles entre l’électrolyte et les ions lithium. Les espaces creux dans les fibres évitent l’accumulation aléatoire des ions lithium sur la surface métallique, stabilisant ainsi l’interface entre le lithium et l’électrolyte.
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Performance et durabilité
Les résultats obtenus avec cette nouvelle couche protectrice sont impressionnants. Les anodes en lithium métal ont vu leur durée de vie augmenter de près de 750% par rapport aux anodes conventionnelles. Les batteries ont conservé 93,3% de leur capacité après 300 cycles de charge et décharge, offrant une performance de classe mondiale.
De plus, les chercheurs ont confirmé que cette couche protectrice naturelle se décompose entièrement en environ un mois dans le sol, prouvant ainsi son caractère écologique tout au long de son cycle de vie
Le professeur Il-Doo Kim a expliqué : « En tirant parti des fonctions protectrices physiques et chimiques, nous avons pu guider les réactions réversibles entre le lithium métal et l’électrolyte de manière plus efficace et supprimer la croissance des dendrites, aboutissant à des anodes en lithium avec des caractéristiques de longévité sans précédent. »
Il a ajouté : « Alors que la charge environnementale liée à la production et à l’élimination des batteries devient une préoccupation croissante avec la demande croissante en batteries, cette méthode de fabrication à base d’eau avec des propriétés biodégradables contribuera grandement à la commercialisation des batteries écologiques de nouvelle génération. »
Article : « Overcoming Chemical and Mechanical Instabilities in Lithium Metal Anodes with Sustainable and Eco-Friendly Artificial SEI Layer » – DOI: 10.1002/adma.202470373
