Depuis des décennies, les chercheurs pensaient que l’accumulation inévitable de dépôts sur les électrodes à l’intérieur des batteries rechargeables était responsable de la perte de performance. Une nouvelle étude révèle que cette vision est erronée et ouvre la voie à la conception de batteries plus durables.
Les chercheurs ont longtemps supposé que l’accumulation de dépôts de lithium métallique, ressemblant à de la mousse ou à des structures arborescentes, sur les électrodes des batteries était la cause principale de la perte de performance. Cependant, une étude publiée dans Nature Energy montre que cette accumulation n’est en réalité qu’un effet secondaire.
Dirigée par une équipe de recherche du Department of Energy’s Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), l’étude rapporte la première mesure directe des propriétés électriques à la frontière entre l’électrode solide et l’électrolyte liquide à l’intérieur d’une batterie rechargeable. Les résultats démontrent que l’interface dite d’électrolyte solide (SEI) n’est pas un isolant électronique, comme on le pensait auparavant, mais se comporte plutôt comme un semi-conducteur.
Implications pour la conception de batteries plus durables
Les chercheurs se concentrent sur la couche SEI, plus fine qu’une feuille de papier de soie, en raison de son rôle crucial dans la performance des batteries. Cette couche permet sélectivement aux ions lithium chargés de traverser lors de la décharge et contrôle le mouvement des électrons qui alimentent la batterie.
Les chercheurs ont développé une nouvelle technique pour mesurer directement la conduction électrique à travers la SEI dans un système expérimental. Ils ont combiné la microscopie électronique à transmission avec la manipulation nanométrique d’aiguilles métalliques microfabriquées à l’intérieur du microscope.
Les mesures ont révélé que, lorsque la tension augmente dans la batterie, la couche SEI dans tous les cas laisse fuir les électrons, ce qui la rend semi-conductrice. Les chercheurs ont découvert que les composants organiques contenant du carbone de la couche SEI sont susceptibles de fuir des électrons. Ils en ont conclu que la réduction des composants organiques dans la SEI permettrait aux batteries d’avoir une durée de vie plus longue.
En synthèse
Les résultats de cette étude remettent en question les hypothèses de longue date sur le fonctionnement des batteries rechargeables et ouvrent la voie à la conception de batteries plus durables en ajustant les propriétés physiques et électrochimiques de l’électrolyte liquide. En comprenant mieux le rôle de la couche SEI et en minimisant les composants organiques qui fuient des électrons, les chercheurs pourraient contribuer à améliorer l’efficacité et la stabilité des batteries rechargeables.
Pour une meilleure compréhension
1. Qu’est-ce que la couche d’électrolyte solide (SEI) ?
La couche d’électrolyte solide (SEI) est une fine couche située à la frontière entre l’électrode solide et l’électrolyte liquide à l’intérieur d’une batterie rechargeable. Elle joue un rôle crucial dans la performance des batteries en permettant sélectivement aux ions lithium chargés de traverser lors de la décharge et en contrôlant le mouvement des électrons qui alimentent la batterie.
2. Quelle est la découverte majeure de cette étude ?
L’étude montre que la couche SEI n’est pas un isolant électronique, comme on le pensait auparavant, mais se comporte plutôt comme un semi-conducteur. Cette découverte remet en question les hypothèses de longue date sur le fonctionnement des batteries rechargeables.
3. Comment les chercheurs ont-ils mesuré la conduction électrique à travers la SEI ?
Les chercheurs ont développé une nouvelle technique pour mesurer directement la conduction électrique à travers la SEI dans un système expérimental. Ils ont combiné la microscopie électronique à transmission avec la manipulation nanométrique d’aiguilles métalliques microfabriquées à l’intérieur du microscope.
4. Quelle est l’implication de cette découverte pour la conception de batteries plus durables ?
En comprenant mieux le rôle de la couche SEI et en minimisant les composants organiques qui fuient des électrons, les chercheurs pourraient contribuer à améliorer l’efficacité et la stabilité des batteries rechargeables. Cela ouvre la voie à la conception de batteries plus durables en ajustant les propriétés physiques et électrochimiques de l’électrolyte liquide.
5. Quelle est la prochaine étape pour les chercheurs ?
La prochaine étape pour les chercheurs consiste à explorer comment réduire les composants organiques dans la couche SEI et à étudier les effets de ces modifications sur la durée de vie et la performance des batteries rechargeables.
Légende illustration principale : Yaobin Xu, chercheur dans le domaine des batteries, insère un échantillon dans un microscope électronique à transmission afin d’examiner le fonctionnement d’une batterie rechargeable. Crédit : Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory
Article : « Direct in situ measurements of electrical properties of solid–electrolyte interphase on lithium metal anodes » – DOI:10.1038/s41560-023-01361-1
