L’imagerie 3D de la batterie révèle la durée de vie secrète en temps réel des cellules lithium-métal

Des chercheurs innovants sur les batteries ont déchiffré le code pour créer des images 3D en temps réel de la batterie au lithium métal prometteuse mais capricieuse pendant son cycle. Une équipe de l’Université de technologie de Chalmers, en Suède, a réussi à observer le comportement du lithium métallique dans la cellule lorsqu’il se charge et se décharge.

Les chercheurs sur les batteries souhaitent depuis longtemps étudier le lithium métal dans une batterie au lithium métal en état de marche. Des chercheurs de Chalmers ont maintenant développé une méthode pour suivre le comportement du lithium dans la cellule de la batterie pendant le cycle. Grâce à une cellule spécialement conçue et à l’aide de la microscopie tomographique à rayons X, les chercheurs peuvent observer le fonctionnement interne de la batterie en temps réel en 3D. La nouvelle méthode peut contribuer à des batteries avec une plus grande capacité et une sécurité accrue dans nos futures voitures et appareils. Crédit d’image : Université de technologie de Chalmers

La nouvelle méthode peut contribuer à des batteries avec une plus grande capacité et une sécurité accrue dans nos futures voitures et appareils.

« Nous avons ouvert une nouvelle fenêtre pour comprendre — et à terme 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 récemment publiée. dans Communication Nature.

Il y a de grands espoirs que de nouveaux concepts de batteries, comme les batteries au lithium métal, pourront remplacer les batteries lithium-ion d’aujourd’hui. L’objectif est de développer 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 lithium-soufre et les batteries lithium-oxygène font partie de celles qui sont présentées comme des alternatives prometteuses. Tous ces concepts s’appuient sur l’idée que l’anode de la batterie est constituée d’un métal au lithium au lieu du graphite qui se trouve dans les batteries d’aujourd’hui. Sans graphite, la cellule de batterie sera plus légère, et avec du lithium métal comme anode, il sera également possible d’utiliser des matériaux de cathode à haute capacité. Cela permet d’atteindre trois à cinq fois la densité d’énergie.

Le lithium forme des microstructures indésirables

Cependant, les batteries au lithium métal ont un problème crucial : lorsque la batterie est chargée ou déchargée, le lithium ne se dépose pas toujours aussi plat 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 s’isoler et sont alors inactives. Les dendrites, risquent également d’atteindre l’autre électrode de la batterie et de provoquer un court-circuit. Par conséquent, il est crucial 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 de courant, le choix de l’électrolyte et le nombre de cycles. Nous avons maintenant un outil pour le faire », déclare le chercheur de Chalmers Matthew Sadd, auteur principal de cette nouvelle étude avec son collègue Shizhao Xiong.

Attendons avec impatience le premier aperçu

L’expérience d’observation de la formation de microstructures de lithium dans une cellule de travail a été menée à la source lumineuse suisse à l’extérieur de Zurich en Suisse. Anticipant à bout de souffle, les chercheurs ont préparé une cellule de batterie spécialement conçue pour étudier le moment où le lithium se dépose, 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 de travail, personne n’avait été en mesure de le faire à la connaissance de l’équipe. S’ils réussissaient, ce serait un grand pas en avant par rapport à l’analyse d’images après le cycle d’une cellule.

« C’était magique quand nous avons vu de nos propres yeux que cela avait fonctionné du premier coup », a déclaré Matic. « Lorsque nous avons observé le lithium créer de grandes structures, comme d’énormes aiguilles, c’était presque comme si nous étions dans un projet d’alunissage. Depuis si longtemps, nous voulions observer le fonctionnement interne des batteries en temps réel. Et maintenant, nous le pouvons.

Pièce maîtresse du puzzle pour une utilisation à grande échelle

L’équipe de recherche vise maintenant à tester la technique sur d’autres concepts de batterie, en espérant que la technologie d’imagerie nécessaire sera disponible plus près de chez elle, par exemple au laboratoire suédois MAX IV, un centre de recherche national pour les expériences avancées en rayons X.

«Nous sommes impatients de développer cette méthode pour prendre des mesures plus rapides à une résolution plus élevée afin de voir des microstructures plus détaillées formées au début du processus de dépôt», déclare Matic. « Il s’agit d’une pièce maîtresse du puzzle pour pouvoir utiliser les batteries au lithium métal à grande échelle et les rendre sûres. De nombreuses équipes de recherche et entreprises se penchent sur le concept du lithium métal pour leurs futurs prototypes.

En savoir plus sur la recherche

En savoir plus sur les batteries d’aujourd’hui et la prochaine génération de batteries

• Dans la recherche de la prochaine génération de batteries à haute densité énergétique et économes en ressources, les batteries au lithium métal sont l’un des concepts prometteurs. L’espoir est que le nouveau type de batterie remplacera les batteries lithium-ion d’aujourd’hui, en particulier dans divers types de véhicules électriques. L’objectif est de développer des batteries sûres et à haute 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 du graphite, qui lui-même ne contribue pas 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 métallique comme anode, il est également possible d’utiliser des matériaux de cathode à haute capacité. Cela peut se traduire par des batteries avec trois à cinq fois la densité d’énergie des batteries d’aujourd’hui.
• Les batteries à semi-conducteurs, les batteries lithium-soufre et les batteries lithium-oxygène sont trois exemples de concepts prometteurs de batteries de nouvelle génération. Tous ces éléments nécessitent du lithium métallique du côté de l’anode pour correspondre à la capacité de la cathode et maximiser la densité d’énergie de la cellule.
• Jusqu’à présent, les chercheurs supposent que la percée de la prochaine génération de batteries est dans une dizaine d’années.
• À l’Université de technologie de Chalmers, des recherches sont en cours dans un certain nombre de projets liés aux batteries, et les chercheurs sont impliqués dans des collaborations nationales et internationales, comme le centre d’excellence suédois BASE et le grand projet européen 2030+ BIGMAP.

Par Université de technologie Chalmers via Newswise

Image présentée avec l’aimable autorisation du MIT.

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