La vrai forme du lithium révélée pour la première fois par une équipe de l’UCLA

Les technologies d’aujourd’hui, qu’il s’agisse de smartphones, de véhicules électriques ou de stockage d’énergie solaire et éolienne, dépendent fortement des batteries rechargeables au lithium-ion. Cependant, une technologie antérieure, la batterie au lithium-métal, malgré son potentiel énergétique supérieur, n’a pas été largement développée ou adoptée en raison des risques élevés d’incendie ou même d’explosion qu’elle présente.

Dans une perspective d’avancée majeure, une étude récente menée par les membres de l’Institut des systèmes nanocaliforniens (California NanoSystems Institute) de l’UCLA offre une découverte fondamentale qui pourrait mener à des batteries au lithium-métal plus sûres et plus performantes que les batteries au lithium-ion actuelles.

Une corrosion inhibée révèle une structure surprenante

Le lithium métallique réagit si facilement avec les produits chimiques que la corrosion se forme presque immédiatement lors de sa déposition sur une surface telle qu’une électrode. Cependant, les chercheurs de l’UCLA ont développé une technique inhibant cette corrosion. Ils ont ainsi pu observer que, en l’absence de corrosion, les atomes de lithium s’assemblent en une forme surprenante : le dodécaèdre rhombique, une figure à 12 faces similaire aux dés utilisés dans les jeux de rôle tels que « Dungeons and Dragons ».

« Il existe des milliers de documents sur le lithium métallique, et la plupart des descriptions de la structure sont qualitatives, comme ‘granuleuse’ ou ‘en colonnes‘ », a indiqué Yuzhang Li, auteur principal de l’étude, professeur adjoint en génie chimique et biomoléculaire à l’UCLA Samueli School of Engineering et membre du CNSI. « Il a été surprenant pour nous de découvrir qu’en empêchant la corrosion de surface, nous avons observé un polyèdre singulier qui correspond aux prédictions théoriques basées sur la structure cristalline du métal. En fin de compte, cette étude nous permet de réviser notre compréhension des batteries au lithium-métal. »

Une technique innovante pour un dépôt plus rapide de lithium

À très petite échelle, une batterie lithium-ion stocke des atomes de lithium chargés positivement dans une structure de carbone en forme de cage qui recouvre une électrode. En revanche, une batterie lithium-métal recouvre l’électrode de lithium métallique. Cela permet de stocker 10 fois plus de lithium dans le même espace que les batteries lithium-ion, ce qui explique l’augmentation des performances et du danger.

Le processus de dépôt du revêtement de lithium est basé sur une technique vieille de plus de 200 ans qui utilise l’électricité et des solutions de sels appelées électrolytes. Souvent, le lithium forme des filaments microscopiques ramifiés avec des pointes saillantes. Dans une batterie, si deux de ces pointes se croisent, cela peut provoquer un court-circuit susceptible d’entraîner une explosion.

Les chercheurs ont mis au point une nouvelle technique pour déposer du lithium plus rapidement que la formation de la corrosion. Ils ont fait passer du courant à travers une électrode beaucoup plus petite afin de faire en sorte que l’électricité puisse sortir plus rapidement, un peu comme le fait de bloquer partiellement la buse d’un tuyau d’arrosage pour que l’eau sorte plus violemment.

Toutefois, un équilibre était nécessaire car une accélération excessive du processus pourrait conduire à des structures épineuses similaires qui provoquent des courts-circuits ; l’équipe a résolu ce problème en ajustant la forme de leur minuscule électrode.

Une forme nouvelle révélée grâce à la cryo-microscopie électronique

Grâce à une technique d’imagerie appelée cryo-microscopie électronique (cryo-EM*), qui permet de visualiser des détails jusqu’au niveau atomique tout en inhibant les dommages aux échantillons, les chercheurs ont pu observer la forme du lithium.

Avec leur procédé exempt de corrosion, ils ont découvert que le lithium formait de minuscules dodécaèdres – pas plus gros que 2 millionièmes de mètre, soit environ la longueur moyenne d’une bactérie – dans tous les cas.

En synthèse

La recherche menée à l’UCLA offre une percée significative dans la compréhension de la croissance du lithium et de sa structure en l’absence de corrosion. Ce nouveau savoir pourrait mener à des batteries au lithium-métal plus sûres et plus performantes que les batteries au lithium-ion actuelles. La technique innovante de dépôt rapide de lithium et la découverte d’une nouvelle forme de lithium grâce à la cryo-microscopie électronique promettent de vastes implications pour la technologie de l’énergie haute performance.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que les batteries au lithium-métal ?

Les batteries au lithium-métal sont des dispositifs de stockage d’énergie. Contrairement aux batteries lithium-ion couramment utilisées aujourd’hui, qui emmagasinent des atomes de lithium chargés positivement dans une structure en cage de carbone, les batteries au lithium-métal déposent du lithium métallique sur l’électrode. Cela permet de compacter dix fois plus de lithium dans le même espace, augmentant potentiellement la performance et l’efficacité.

Quel est le problème avec les batteries au lithium-métal actuelles ?

Le principal inconvénient des batteries au lithium-métal est qu’elles présentent un risque beaucoup plus élevé de prendre feu ou d’exploser. Cela est dû au fait que le lithium métallique réagit facilement avec les produits chimiques, ce qui conduit à la formation presque immédiate d’une corrosion lorsqu’il est déposé sur une surface telle qu’une électrode.

En quoi consiste la nouvelle découverte de l’UCLA ?

Les chercheurs de l’UCLA ont découvert une technique pour prévenir cette corrosion, qui a également révélé que, en l’absence de corrosion, les atomes de lithium s’assemblent dans une forme surprenante, le dodécaèdre rhombique. Cette découverte suggère que le risque d’explosion des batteries au lithium-métal peut être atténué, car les atomes s’accumulent de manière ordonnée plutôt qu’en un amas qui peut provoquer des courts-circuits.

Quelles sont les implications de cette découverte pour la technologie de l’énergie à haute performance ?

La découverte ouvre la possibilité d’optimiser la forme que prend le lithium lorsqu’il est déposé, pour améliorer à la fois la sécurité et les performances des batteries. Si le lithium peut être formé en cubes, par exemple, il peut être emballé de manière plus dense, augmentant la capacité de la batterie tout en réduisant le risque de courts-circuits.

Quelle est la technique innovante utilisée par les chercheurs de l’UCLA ?

Les chercheurs ont développé une technique qui leur permet de déposer du lithium plus rapidement que ne se forme la corrosion. Pour cela, ils ont fait passer du courant à travers une électrode beaucoup plus petite pour expulser l’électricité plus rapidement. Cela a permis aux atomes de lithium de se déposer avant que la corrosion ne puisse se former.

Qu’est-ce que la microscopie électronique cryogénique ?

La microscopie électronique cryogénique, ou cryo-EM, est une technique d’imagerie qui permet de visualiser des détails jusqu’au niveau atomique. Elle fonctionne en envoyant des électrons à travers des échantillons congelés, ce qui permet d’obtenir des images de haute résolution sans endommager les échantillons. Cette technique a été cruciale pour permettre aux chercheurs de l’UCLA de voir la forme réelle que prenait le lithium en l’absence de corrosion.

Légende illustration principale : Des chercheurs de l’UCLA ont mis au point un moyen de déposer du lithium métal sur une surface tout en évitant la couche de corrosion qui se forme habituellement. Sans cette corrosion, le métal prend une forme inédite, une minuscule figure à 12 côtés – crédit : Li Lab/UCLA

* Tout d’abord, lorsque Li était étudiant diplômé, il a démontré que la cryo-EM pouvait être utilisée pour analyser le lithium, qui tombe en morceaux lorsqu’il est exposé à un faisceau d’électrons à température ambiante. (Son étude a été publiée en 2017 dans la revue Science.) Deuxièmement, l’équipe a réalisé des expériences au Centre d’imagerie électronique pour les nanomachines du CNSI, qui abrite plusieurs instruments de cryo-EM adaptés aux types d’échantillons utilisés dans la recherche sur les matériaux.