Progrès vers la charge rapide des batteries lithium-métal

Dans un nouvel article de Nature Energy, des ingénieurs font état de progrès dans le domaine des batteries au lithium-métal qui se rechargent rapidement – en une heure seulement. Cette charge rapide est due à des cristaux de lithium métal qui peuvent être ensemencés et cultivés – rapidement et uniformément – sur une surface surprenante. L’astuce consiste à utiliser une surface de croissance des cristaux que le lithium n’aime officiellement pas. À partir de ces cristaux d’ensemencement, des couches denses de lithium métallique uniforme se développent.

Les couches uniformes de lithium métallique présentent un grand intérêt pour les chercheurs en batteries car elles sont dépourvues de pointes, appelées dendrites, qui dégradent les performances des batteries. La formation de ces dendrites dans les anodes de batteries est un obstacle de longue date à la charge rapide des batteries lithium-métal à très forte densité énergétique.

Cette nouvelle approche, menée par les ingénieurs de l’université de Californie à San Diego, permet de charger les batteries lithium-métal en une heure environ, une vitesse compétitive par rapport aux batteries lithium-ion actuelles. Les ingénieurs de l’université de San Diego, en collaboration avec des chercheurs en imagerie de l’université d’Irvine, ont publié cette avancée visant à développer des batteries lithium-métal à charge rapide le 9 février 2023 dans Nature Energy.

Pour faire croître des cristaux de lithium métal, les chercheurs ont remplacé les surfaces de cuivre omniprésentes sur le côté négatif (l’anode) des batteries lithium métal par une surface nanocomposite lithiophobe composée de fluorure de lithium (LiF) et de fer (Fe). En utilisant cette surface lithiophobe pour le dépôt de lithium, des germes de cristaux de lithium se sont formés, et à partir de ces germes ont poussé des couches de lithium denses, même à des taux de charge élevés. Le résultat est une batterie lithium-métal à longue durée de vie qui peut être rechargée rapidement.

« La surface nanocomposite spéciale est la découverte », a déclaré Ping Liu, professeur de nano-ingénierie à UC San Diego et auteur principal du nouvel article. « Nous avons remis en question la notion traditionnelle du type de surface nécessaire à la croissance des cristaux de lithium. La sagesse dominante veut que le lithium se développe mieux sur les surfaces qu’il aime, les surfaces lithiophiles. Dans ce travail, nous montrons que ce n’est pas toujours vrai. Le substrat que nous utilisons n’aime pas le lithium. Cependant, il fournit des sites de nucléation abondants ainsi qu’un mouvement rapide du lithium en surface. Ces deux facteurs conduisent à la croissance de ces beaux cristaux. Il s’agit d’un bel exemple d’une intuition scientifique résolvant un problème technique ».

La nouvelle avancée réalisée par les nano-ingénieurs de l’UC San Diego pourrait éliminer un obstacle important qui freine l’utilisation généralisée des batteries lithium-métal à forte densité énergétique pour des applications telles que les véhicules électriques (VE) et l’électronique portable. Alors que les batteries au lithium-métal présentent un grand potentiel pour les VE et les appareils électroniques portables en raison de leur densité de charge élevée, les batteries au lithium-métal actuelles doivent être chargées extrêmement lentement afin de maintenir leurs performances et d’éviter les problèmes de sécurité. La charge lente est nécessaire pour minimiser la formation de dendrites de lithium qui nuisent aux performances de la batterie. Ces dendrites se forment lorsque les ions lithium se joignent aux électrons pour former des cristaux de lithium du côté de l’anode de la batterie. Les cristaux de lithium s’accumulent au fur et à mesure que la batterie se charge, et les cristaux de lithium se dissolvent lorsque la batterie se décharge.

Ping Liu est le directeur du Sustainable Power and Energy Center (SPEC) à la Jacobs School of Engineering de l’UC San Diego, où il est également professeur au département de nano-ingénierie.

Illustration / Image cryo-TEM d’un monocristal de lithium métallique qui a été ensemencé sur une surprenante surface nanocomposite lithiophoboïque composée de fluorure de lithium et de fer. Le cristal de lithium a une forme bipyramidale hexagonale. Dans un article de Nature Energy publié le 9 février 2023, les chercheurs de l’UC San Diego et de l’UC Irvine ont montré que cette formation surprenante de germes de cristaux de lithium conduit à des couches de lithium denses même à des taux de charge élevés, ce qui permet d’obtenir des batteries lithium-métal à longue durée de vie qui peuvent également être chargées rapidement. Cette découverte permet de surmonter un phénomène courant dans les batteries rechargeables au lithium-métal, à savoir que la charge à haut débit entraîne toujours un lithium poreux et des cycles de vie courts. En remplaçant les surfaces de cuivre omniprésentes sur le côté négatif (l’anode) des batteries lithium-métal par cette surface lithiophobe composée de fluorure de lithium et de fer, les chercheurs ont ouvert une nouvelle voie pour créer des batteries lithium-métal plus fiables, plus sûres et plus performantes.

Paper: « Growing single-crystalline seeds on lithiophobic substrates to enable fast-charging lithium-metal batteries, » published in Nature Energy on 09 February 2023. 

Funding: U.S. Department of Energy (DOE) Battery500 Consortium DE-EE0007764. 

Authors
Zhaohui Wu, Zeyu Hui, Haodong Liu, Shen Wang, Sicen Yu, Xing Xing, John Holoubek, Qiushi Miao, and Ping Liu at UC San Diego; Chunyang Wang and Huolin L. Xin at UC Irvine

CREDIT : Chunyang Wang and Huolin Xin / UC Irvine | Zhaohui Wu and Zeyu Hui / UC San Diego

Corresponding authors
Ping Liu and Huolin L. Xin