Un ingénieur expose une faiblesse structurelle à l’origine des défaillances des batteries lithium-ion

Laurie Fickman

Un ingénieur de l’université de Houston a découvert que les dendrites de lithium — ces excroissances dangereuses qui se forment à l’intérieur des batteries lithium-ion, lesquelles alimentent tout, des smartphones aux véhicules électriques — sont étonnamment solides et cassantes, ce qui souligne la nécessité de repenser la conception future des batteries.

• Un ingénieur de l’UH découvre que les dendrites de lithium, un défaut des batteries, sont étonnamment solides et cassantes, ce qui leur permet d’agir comme des aiguilles rigides à l’intérieur des batteries 

• Leur rigidité, renforcée par un revêtement protecteur, leur permet de percer les séparateurs, provoquant des courts-circuits et des risques pour la sécurité 

• Des observations en temps réel, une première, expliquent leur nature cassante  

• Ces découvertes pourraient contribuer à améliorer la sécurité et la fiabilité des systèmes de stockage à haute énergie  

La croissance et la pénétration des dendrites de lithium à travers les électrolytes et les séparateurs restent des défis majeurs pour la réalisation de batteries lithium-métal à haute densité énergétique.  

Les dendrites sont de minuscules « aiguilles » cristallines qui se forment à l’intérieur des batteries pour diverses raisons, de la charge rapide aux basses températures. Bien que minuscules, mesurant seulement quelques centaines de nanomètres (plus de 100 fois plus fines qu’un cheveu humain), les dendrites de lithium peuvent causer des dommages catastrophiques et des risques pour la sécurité, y compris des courts-circuits et des incendies.  

« Pendant des décennies, la communauté scientifique a supposé que les électrolytes à l’état solide pouvaient facilement bloquer les dendrites parce que le lithium était considéré comme un métal mou et ductile. Nous avons prouvé qu’elles sont en réalité cassantes et se brisent comme du verre, » a déclaré Yan Yao, professeur distingué Hugh Roy et Lillie Cranz Cullen en génie électrique et informatique. Les travaux de Yao sont publiés dans Science, dans un article co-écrit avec ses collègues de l’Université Rice, de l’Institut de technologie de Géorgie et de l’Institute of High-Performance Computing de Singapour. Ensemble, l’équipe rapporte précisément comment ces structures se comportent à l’intérieur des batteries. 

L’article explique que la rigidité des dendrites est intrinsèque à leur cœur de lithium monocristallin à l’échelle nanométrique et est encore renforcée par un revêtement de surface protecteur, une combinaison qui leur permet de percer les séparateurs.  

Yao n’a pas seulement prouvé la nature mécanique cassante des dendrites, mais il a également capturé une vidéo des dendrites en action en réalisant une imagerie SEM operando, permettant d’observer des dendrites de lithium se briser en temps réel dans des cellules à l’état solide en fonctionnement. 

« En filmant cela pour la première fois à l’intérieur d’une batterie à l’état solide en fonctionnement — en utilisant une chambre sans air spécialisée que nous avons inventée ici à l’UH — nous avons montré que les stratégies utilisées pour concevoir les batteries de nouvelle génération doivent changer, » a déclaré Yao, qui est également investigateur principal au Texas Center for Superconductivity de l’UH. 

Le récipient sans air personnalisé spécifiquement créé par Yao pour tester les batteries à l’état solide est déjà largement adopté. Cette technologie a conduit au lancement de la startup Solid Design Instruments LLC, qui a déjà vendu huit unités à des laboratoires nationaux et à des grandes entreprises de batteries. En comprenant la véritable résistance mécanique de ces dendrites, les chercheurs suggèrent qu’à l’avenir, les anodes en alliage de lithium pourraient rendre les dendrites moins sujettes à la rupture fragile ; une stratégie actuellement explorée dans divers autres contextes. 

Ceci est la dernière avancée dans la quête de Yao pour réinventer les batteries à l’état solide. Précédemment, lui et son équipe ont découvert ce qui provoque la dégradation des batteries à l’état solide et comment ce processus pourrait être ralenti. Découvrir ce secret a été la première étape pour améliorer la durée de vie des batteries de tout, des téléphones portables et ordinateurs portables aux véhicules électriques.  

Ajoutant à ce potentiel, Bo Zhao, un professeur d’ingénierie primé et reconnu internationalement au Cullen College of Engineering, a découvert une technique pour contrôler le flux de chaleur dans l’électronique, ce qui contribuerait finalement à prolonger l’endurance des batteries. 

Article : Strong and brittle lithium dendrites – Journal : Science

Source : Houston U.