Une percée concernant les dendrites réalisée par des chercheurs du MIT pourrait enfin ouvrir la voie à la construction d’un nouveau type de batterie au lithium rechargeable plus sûre, plus légère et plus compacte que les modèles existants, un concept poursuivi par des laboratoires du monde entier depuis années.
Le remplacement de l’électrolyte liquide entre les électrodes positive et négative par une couche considérablement plus fine et plus légère de matériau céramique solide et le remplacement d’une électrode par du lithium métallique solide sont les deux éléments essentiels de cette avancée potentielle dans la technologie des batteries. En apportant ces modifications, la taille et le poids globaux de la batterie seraient considérablement réduits et les électrolytes liquides inflammables qui présentent un risque pour la sécurité seraient éliminés. Les dendrites, cependant, se sont révélées être un obstacle important dans cette poursuite.
Les dendrites sont des excroissances métalliques qui peuvent s’accumuler à la surface du lithium, percer l’électrolyte solide et finalement traverser d’une électrode à l’autre, court-circuitant la cellule de la batterie. Leur nom vient du mot latin désignant les branches. Il n’y a pas eu beaucoup de progrès dans la compréhension des causes de ces filaments métalliques ou de la manière de les empêcher de se produire, ce qui fait des batteries à semi-conducteurs légères une alternative problématique.
La nouvelle étude semble répondre à la question de savoir ce qui déclenche la croissance dendritique et a été récemment publiée dans la revue Joule par le professeur du MIT Yet-Ming Chiang, l’étudiant diplômé Cole Fincher et cinq autres chercheurs du MIT et de l’Université Brown. Il montre également comment les dendrites peuvent être empêchées de percer l’électrolyte.
Une découverte « surprenante et inattendue » a été faite par l’équipe dans des travaux antérieurs, selon Chiang, à savoir que le lithium, un métal très doux, peut pénétrer le matériau d’électrolyte dur et solide utilisé dans les batteries à semi-conducteurs lorsque les ions lithium se déplacent entre le deux côtés de la batterie pendant la charge et la décharge.
Le volume des électrodes change en raison du mouvement de va-et-vient des ions. L’électrolyte solide, qui doit garder un contact complet avec les deux électrodes entre lesquelles il est pris en sandwich, est nécessairement sollicité en conséquence.
« Pour déposer ce métal, il doit y avoir une expansion du volume car vous ajoutez une nouvelle masse », explique Chiang. « Donc, il y a une augmentation de volume du côté de la cellule où le lithium est déposé. Et s’il y a même des défauts microscopiques présents, cela générera une pression sur ces défauts qui peuvent provoquer des fissures.
L’équipe a maintenant démontré que ces forces sont à l’origine des fissures qui permettent la formation de dendrites. Il s’avère que l’ajout de contraintes supplémentaires dans la direction idéale et avec la quantité idéale de puissance est la solution au problème.
Les découvertes de l’équipe montrent que les contraintes mécaniques sont à l’origine du problème. Auparavant, certains chercheurs pensaient que les dendrites se formaient par un processus uniquement électrochimique plutôt que mécanique.
Fincher a créé une méthode de création de cellules minces à l’aide d’un électrolyte transparent, permettant de surveiller et d’enregistrer immédiatement l’ensemble du processus. Le processus de création de dendrites se déroule généralement au plus profond des matériaux opaques de la cellule de batterie et ne peut pas être observé directement.
« Vous pouvez voir ce qui se passe lorsque vous appliquez une compression sur le système, et vous pouvez voir si les dendrites se comportent ou non d’une manière qui correspond à un processus de corrosion ou à un processus de fracture », dit-il.
En appliquant et en relâchant la pression, les chercheurs ont révélé qu’ils pouvaient contrôler directement la croissance des dendrites, les faisant zigzaguer en parfait alignement avec la force.
La formation de dendrites n’est pas empêchée en appliquant des forces mécaniques à l’électrolyte solide, mais elle est gérée en le faisant. Cela implique qu’ils peuvent être rendus inoffensifs en les dirigeant pour qu’ils restent parallèles aux deux électrodes et en les empêchant de se croiser du côté opposé.
Le matériau a été plié en forme de poutre avec un poids à une extrémité pour les tests, et la pression a été produite en pliant le matériau. Cependant, ils affirment qu’il peut y avoir une variété de techniques pour générer le stress requis dans la réalité. Comme dans certains thermostats, l’électrolyte pourrait, par exemple, être créé à l’aide de deux couches de matériau avec des taux variables de dilatation thermique, entraînant une flexion inhérente du matériau.
Une autre stratégie consisterait à «doper» le matériau avec des atomes implantés, ce qui provoquerait une distorsion et une tension irréversibles. Selon Chiang, il s’agit du même processus utilisé pour créer le verre ultra-dur que l’on voit sur les écrans des smartphones et des tablettes.
De plus, la pression requise n’est pas excessive : les expériences ont démontré que les dendrites ne pouvaient pas traverser l’électrolyte à des pressions de 150 à 200 mégapascals. La pression requise est « proportionnée aux contraintes couramment induites dans les processus commerciaux de croissance de film et de nombreux autres processus de fabrication », et ne devrait donc pas être difficile à mettre en œuvre dans la pratique, ajoute Fincher.
En fait, un type de contrainte différent connu sous le nom de pression d’empilement est fréquemment appliqué aux cellules de la batterie en serrant essentiellement le matériau dans la direction perpendiculaire aux plaques de la batterie – similaire à la compression d’un sandwich en plaçant un poids dessus. Cela était censé aider à empêcher les couches de se séparer. Cependant, la recherche a maintenant montré que la pression dans cette direction aggrave en fait la formation de dendrites. « Nous avons montré que ce type de pression de cheminée accélère en fait la défaillance induite par les dendrites », déclare Fincher.
Ce qui est nécessaire à la place, c’est une pression le long du plan des assiettes, comme si le sandwich était pressé par les côtés. « Ce que nous avons montré dans ce travail, c’est que lorsque vous appliquez une force de compression, vous pouvez forcer les dendrites à se déplacer dans la direction de la compression », explique Fincher, et si cette direction est le long du plan des plaques, les dendrites « va ne jamais aller de l’autre côté.
Cela pourrait éventuellement permettre de fabriquer des batteries avec des électrodes métalliques au lithium et des électrolytes solides. Ceux-ci contiendraient non seulement plus d’énergie pour un volume et un poids donnés, mais ils élimineraient également la nécessité d’électrolytes liquides inflammables.
Après avoir démontré les principes de base impliqués, la prochaine étape de l’équipe sera d’essayer de les appliquer à la création d’un prototype de batterie fonctionnel, dit Chiang, puis de déterminer exactement quels processus de fabrication seraient nécessaires pour produire de telles batteries en quantité.
Bien qu’ils aient déposé un brevet, les chercheurs ne prévoient pas de commercialiser le système eux-mêmes, dit-il, car il existe déjà des entreprises travaillant sur le développement de batteries à semi-conducteurs. « Je dirais qu’il s’agit d’une compréhension des modes de défaillance des batteries à semi-conducteurs dont nous pensons que l’industrie doit être consciente et essayer d’utiliser pour concevoir de meilleurs produits », a-t-il déclaré.
L’équipe de recherche comprenait Christos Athanasiou et Brian Sheldon de l’Université Brown, et Colin Gilgenbach, Michael Wang et W. Craig Carter du MIT. Les travaux ont été soutenus par la US National Science Foundation, le département américain de la Défense, la US Defense Advanced Research Projects Agency et le département américain de l’Énergie.
Le bon professeur Chiang et son équipe ont peut-être résolu le mystère des dendrites, mais au cours des dernières années, quelques équipes de recherche ont prétendu résoudre le problème des dendrites. Steve Hanley de Clean Technica a couvert un groupe de chercheurs de Singapour l’année dernière qui « affirment qu’ils savent comment apprivoiser ces embêtants dendrites de batterie lithium-ion ». Cela semblait prometteur, mais nous n’avons rien entendu depuis.
La prochaine phase de l’étude créant un prototype de batterie fonctionnel éclairera davantage la recherche. Et puis il y a le double défi de la production de masse et de la compétitivité commerciale. Si tout se passe comme prévu pour l’équipe de recherche, nous pourrions voir ce nouveau design arriver sur le marché à un moment donné dans les années à venir.
Photos publiées avec l’aimable autorisation du MIT
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