Des chercheurs novateurs spécialisés dans les batteries ont réussi à créer des images 3D en temps réel des batteries au lithium métal, prometteuses mais capricieuses, au cours de leur cycle de vie. Une équipe de l’université technologique de Chalmers, en Suède, a réussi à observer le comportement du lithium métal dans la cellule lorsqu’elle se charge et se décharge.
Cette nouvelle méthode pourrait contribuer à la mise au point de batteries d’une plus grande capacité et d’une sécurité accrue pour nos futurs véhicules et appareils.
« Nous avons ouvert une nouvelle fenêtre pour comprendre – et à long terme pour optimiser – les batteries au lithium métal du futur. Lorsque nous pouvons étudier exactement ce qui arrive au lithium dans une cellule pendant le cycle, nous acquérons des connaissances importantes sur ce qui affecte son fonctionnement interne« , explique Aleksandar Matic, professeur au département de physique de Chalmers et responsable de l’étude scientifique qui a été récemment publiée dans Nature Communications.
Il y a de grands espoirs que de nouveaux concepts de batteries, tels que les batteries lithium-métal, puissent remplacer les batteries lithium-ion actuelles. L’objectif est de mettre au point des batteries plus denses en énergie et plus sûres qui nous permettront d’aller plus loin à moindre coût, tant sur le plan financier qu’environnemental. Les batteries à semi-conducteurs, les batteries au lithium-soufre et les batteries au lithium-oxygène figurent parmi les alternatives prometteuses.
Tous ces concepts reposent sur l’idée que l’anode de la batterie est constituée d’un métal de lithium au lieu du graphite que l’on trouve dans les batteries actuelles. Sans graphite, la cellule de la batterie sera plus légère, et avec le lithium métal comme anode, il sera également possible d’utiliser des matériaux de cathode à haute capacité.
Il est ainsi possible d’obtenir une densité énergétique trois à cinq fois supérieure.
Le lithium forme des microstructures indésirables
Les batteries au lithium métal présentent toutefois un problème crucial : lorsque la batterie est chargée ou déchargée, le lithium ne se dépose pas toujours de manière aussi plate et lisse qu’il le devrait. Souvent, il forme des microstructures moussues ou des dendrites, de longues structures en forme d’aiguilles, et des parties du lithium déposé peuvent être isolées et devenir inactives. Les dendrites risquent également d’atteindre l’autre électrode de la batterie et de provoquer un court-circuit. Il est donc essentiel de comprendre quand, comment et pourquoi ces structures se forment.
« Pour pouvoir utiliser cette technologie dans la prochaine génération de batteries, nous devons voir comment une cellule est affectée par des facteurs tels que la densité du courant, le choix de l’électrolyte et le nombre de cycles. Nous disposons désormais d’un outil pour le faire« , explique Matthew Sadd, chercheur à Chalmers et auteur principal de cette nouvelle étude avec son collègue Shizhao Xiong.
L’attente impatiente du premier coup d’œil
L’expérience visant à observer la formation de microstructures de lithium dans une cellule fonctionnelle a été menée à la Source de Lumière Suisse, près de Zurich, en Suisse. Dans une attente haletante, les chercheurs ont préparé une cellule de batterie spécialement conçue pour étudier le dépôt de lithium, en temps réel et en 3D, à l’aide de la microscopie tomographique à rayons X. Bien que de nombreux chercheurs aient voulu étudier le lithium métal dans une cellule fonctionnelle, personne n’avait réussi à le faire à la connaissance de l’équipe. Si elle y parvient, il s’agira d’une avancée majeure par rapport à l’analyse d’images après le cyclage d’une cellule.
« C’était magique lorsque nous avons vu de nos propres yeux que cela fonctionnait du premier coup« , a déclaré M. Matic. « Lorsque nous avons observé le lithium créer de grandes structures, comme d’énormes aiguilles, nous avons presque eu l’impression d’être dans un projet d’atterrissage lunaire. Nous voulions depuis longtemps observer le fonctionnement interne des batteries en temps réel. Et maintenant, c’est possible. »
Une pièce maîtresse du puzzle pour une utilisation à grande échelle
L’équipe de recherche souhaite maintenant tester la technique sur d’autres concepts de batteries, en espérant que la technologie d’imagerie nécessaire sera disponible plus près de chez eux, par exemple au laboratoire suédois MAX IV, une installation nationale de recherche pour des expériences avancées en rayons X.
« Nous sommes impatients de développer cette méthode pour prendre des mesures plus rapides à une résolution plus élevée afin d’observer plus en détail les microstructures formées dès le début du processus de dépôt« , explique M. Matic. « Il s’agit d’une pièce maîtresse du puzzle qui nous permettra d’utiliser des batteries au lithium métal à grande échelle et de les rendre sûres. De nombreuses équipes de recherche et entreprises s’intéressent au concept du lithium métal pour leurs futurs prototypes.«
CREDIT / Chalmers University of Technology
Légende : Les chercheurs spécialisés dans les batteries souhaitent depuis longtemps étudier le lithium métal dans une batterie lithium métal en fonctionnement. Aujourd’hui, des chercheurs de Chalmers ont mis au point une méthode permettant de suivre le comportement du lithium dans la cellule de la batterie pendant le cycle. Grâce à une cellule spécialement conçue et à la microscopie tomographique à rayons X, les chercheurs peuvent observer le fonctionnement interne de la batterie en temps réel et en 3D. Cette nouvelle méthode pourrait contribuer à la mise au point de batteries d’une plus grande capacité et d’une plus grande sécurité dans nos voitures et appareils de demain.
En savoir plus sur la recherche
L’article Investigating microstructure evolution of lithium metal during plating and stripping via operando X-ray tomographic microscopy a été publié dans Nature Communications et a été rédigé par Matthew Sadd, Shizhao Xiong, Jacob R. Bowen, Federica Marone et Aleksandar Matic. Les chercheurs travaillent à l’université technologique de Chalmers en Suède, à Xnovo Technology ApS au Danemark et à l’Institut Paul Scherrer au Centre suisse de rayonnement synchrotron en Suisse.
La recherche a été financée par Vinnova, le centre d’excellence BASE et le domaine de l’énergie de Chalmers.
En collaboration avec des collègues internationaux, l’équipe de recherche d’Aleksandar Matic à Chalmers a publié plusieurs résultats sur la manière dont le lithium est distribué lorsque les batteries au lithium métal sont chargées et déchargées, tels que Insight Into The Critical Role of Exchange Current Density on Electrodeposition Behaviour of Lithium Metal dans Advanced Science et Role of Li-Ion Depletion on Electrode Surface : Underlying Mechanism for Electrodeposition Behavior of Lithium Metal Anode in Advanced Energy Materials.
En savoir plus sur les piles d’aujourd’hui et la prochaine génération de batteries
Dans la recherche de la prochaine génération de batteries à forte densité énergétique et préservant les ressources, les batteries au lithium métal sont l’un des concepts prometteurs. On espère que ce nouveau type de batterie remplacera les batteries lithium-ion actuelles, en particulier dans divers types de véhicules électriques. L’objectif est de mettre au point des batteries sûres et à forte densité énergétique qui nous permettront d’aller plus loin à moindre coût, tant sur le plan financier qu’environnemental.
Dans les batteries lithium-ion, le lithium est stocké dans le graphite, qui ne contribue pas lui-même à l’activité. Dans les batteries au lithium métal, le graphite est remplacé par du lithium métal, ce qui rend la batterie plus dense en énergie. Avec le lithium métal comme anode, il est également possible d’utiliser des matériaux de cathode à haute capacité. On peut ainsi obtenir des batteries dont la densité énergétique est trois à cinq fois supérieure à celle des batteries actuelles.
Les batteries à l’état solide, les batteries lithium-soufre et les batteries lithium-oxygène sont trois exemples de concepts prometteurs de batteries de la prochaine génération. Tous ces concepts nécessitent du lithium métal du côté de l’anode pour correspondre à la capacité de la cathode et maximiser la densité énergétique de la cellule.
Jusqu’à présent, les chercheurs estiment qu’il faudra attendre une dizaine d’années avant que la prochaine génération de batteries ne fasse sa percée.
À l’université de technologie de Chalmers, des recherches sont en cours dans le cadre de plusieurs projets liés aux batteries, et les chercheurs participent à des collaborations nationales et internationales, telles que le centre d’excellence suédois BASE et le grand projet européen 2030+ BIGMAP.
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