Une nouvelle conception des électrodes permet de construire des batteries plus puissantes

16 March 2020
Une nouvelle conception des électrodes permet de construire des batteries plus puissantes

Un nouveau concept de batterie pourrait conduire à des batteries sûres entièrement solides. L'idée repose sur l'objectif longtemps recherché d'utiliser du lithium métallique pur comme l'une des deux électrodes de la batterie, l'anode. Un électrolyte permet aux ions de lithium de se déplacer dans les deux sens pendant les cycles de charge et de décharge de la batterie. S'ils sont associés à de nouveaux concepts pour des versions légères de l'autre cathode, ces travaux pourraient réduire le poids global des batteries lithium-ion. Par exemple, l'équipe espère aboutir à des téléphones portables qui ne pourraient être rechargés qu'une fois tous les trois jours, sans que les téléphones soient plus lourds ou plus encombrants. "Dans notre cas, explique Ju Li, tout est vraiment solide. Il n'y a pas de liquide ou de gel d'aucune sorte dedans".

Le nouveau système pourrait également conduire à des anodes plus sûres qui ne pèsent qu'un quart du poids de leurs homologues conventionnels dans la batterie - plus encombrants que leurs homologues traditionnels pour la même quantité de capacité de stockage de batterie pour les téléphones cellulaires.


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De nouvelles recherches pourraient déboucher sur des batteries capables de fournir plus de puissance par livre et de durer plus longtemps, en se basant sur l'objectif longtemps recherché d'utiliser du lithium métal pur comme l'une des deux électrodes de la batterie, l'anode.

Le nouveau concept d'électrode provient du laboratoire de Ju Li, professeur de science et d'ingénierie nucléaires et professeur de science et d'ingénierie des matériaux de la Battelle Energy Alliance. Il est décrit dans la revue Nature, dans un article co-signé par Yuming Chen et Ziqiang Wang au MIT, ainsi que par 11 autres personnes au MIT et à Hong Kong, en Floride et au Texas.

Ce concept s'inscrit dans le cadre de la mise au point de batteries sûres à l'état solide, qui ne font pas appel au liquide ou au gel polymère habituellement utilisé comme électrolyte entre les deux électrodes de la batterie. Un électrolyte permet aux ions de lithium de se déplacer dans les deux sens pendant les cycles de charge et de décharge de la batterie, et une version tout solide pourrait être plus sûre que les électrolytes liquides, qui ont une grande volatilité et ont été la source d'explosions dans les batteries au lithium, a rapporté Phys.

"Il y a eu beaucoup de travail sur les batteries à l'état solide, avec des électrodes au lithium métal et des électrolytes solides", dit M. Li, mais ces efforts ont été confrontés à un certain nombre de problèmes.

L'un des plus gros problèmes est que lorsque la batterie est chargée, des atomes s'accumulent à l'intérieur du lithium métal, ce qui provoque son expansion. Le métal se rétracte ensuite à nouveau pendant la décharge, au fur et à mesure de l'utilisation de la batterie. Ces changements répétés dans les dimensions du métal, un peu comme le processus d'inhalation et d'expiration, font qu'il est difficile pour les solides de maintenir un contact constant, et ont tendance à provoquer la fracture ou le détachement de l'électrolyte solide.

Un autre problème est qu'aucun des électrolytes solides proposés n'est vraiment stable chimiquement lorsqu'il est en contact avec le lithium métallique hautement réactif, et ils ont tendance à se dégrader avec le temps.

La plupart des tentatives pour surmonter ces problèmes se sont concentrées sur la conception de matériaux à électrolyte solide absolument stables face au lithium métal, ce qui s'avère difficile. Au lieu de cela, Li et son équipe ont adopté une conception inhabituelle qui utilise deux classes supplémentaires de solides, les "conducteurs ioniques-électroniques mixtes" (MIEC) et les "isolateurs d'électrons et d'ions lithium" (ELI), qui sont absolument stables chimiquement au contact du lithium métallique.

Les chercheurs ont développé une nanoarchitecture tridimensionnelle sous la forme d'un réseau en nid d'abeille de tubes MIEC hexagonaux, partiellement infusés avec le lithium métal solide pour former une électrode de la batterie, mais avec un espace supplémentaire laissé à l'intérieur de chaque tube. Lorsque le lithium se dilate au cours du processus de charge, il s'écoule dans l'espace vide à l'intérieur des tubes, se déplaçant comme un liquide même s'il conserve sa structure cristalline solide. Ce flux, entièrement confiné à l'intérieur de la structure en nid d'abeille, libère la pression de l'expansion causée par la charge, mais sans modifier les dimensions extérieures de l'électrode ni la limite entre l'électrode et l'électrolyte. L'autre matériau, l'ELI, sert de liant mécanique crucial entre les parois du MIEC et la couche d'électrolyte solide.

"Nous avons conçu cette structure qui nous donne des électrodes tridimensionnelles, comme un nid d'abeille", explique M. Li. Les espaces vides dans chaque tube de la structure permettent au lithium de "se glisser vers l'arrière" dans les tubes, "et de cette façon, il n'accumule pas de contrainte pour fissurer l'électrolyte solide". Le lithium qui se dilate et se contracte à l'intérieur de ces tubes entre et sort, un peu comme les pistons d'un moteur de voiture à l'intérieur de leurs cylindres. Comme ces structures sont construites à l'échelle nanométrique (les tubes font environ 100 à 300 nanomètres de diamètre et des dizaines de microns de hauteur), le résultat est comme "un moteur avec 10 milliards de pistons, avec du lithium métal comme fluide de travail", explique M. Li.

Comme les parois de ces structures en nid d'abeille sont faites de MIEC chimiquement stable, le lithium ne perd jamais le contact électrique avec le matériau, explique M. Li. Ainsi, l'ensemble de la batterie solide peut rester mécaniquement et chimiquement stable au cours de ses cycles d'utilisation. L'équipe a prouvé le concept de manière expérimentale, en soumettant un dispositif de test à 100 cycles de charge et de décharge sans produire de fracture des solides.

Selon M. Li, bien que de nombreux autres groupes travaillent sur ce qu'ils appellent des batteries solides, la plupart de ces systèmes fonctionnent en fait mieux avec un peu d'électrolyte liquide mélangé au matériau de l'électrolyte solide. "Mais dans notre cas", dit-il, "tout est vraiment solide. Il n'y a pas de liquide ou de gel dedans, d'aucune sorte".

Le nouveau système pourrait conduire à des anodes sûres qui ne pèsent qu'un quart du poids de leurs homologues conventionnels dans les batteries lithium-ion, pour une même capacité de stockage. Combinés à de nouveaux concepts de versions légères de l'autre électrode, la cathode, ces travaux pourraient conduire à une réduction substantielle du poids total des batteries lithium-ion. Par exemple, l'équipe espère que cela pourrait conduire à des téléphones portables qui pourraient être chargés une fois tous les trois jours seulement, sans que les téléphones ne deviennent plus lourds ou plus volumineux.

Un nouveau concept de cathode plus légère a été décrit par une autre équipe dirigée par Li, dans un article publié le mois dernier dans la revue Nature Energy, co-écrit par Zhi Zhu, post-doc au MIT, et Daiwei Yu, étudiant diplômé. Ce matériau permettrait de réduire l'utilisation du nickel et du cobalt, qui sont chers et toxiques et qui sont utilisés dans les cathodes actuelles. La nouvelle cathode ne repose pas uniquement sur la contribution de ces métaux de transition à la capacité de cyclage des piles. Elle s'appuierait plutôt sur la capacité d'oxydoréduction de l'oxygène, qui est beaucoup plus léger et plus abondant. Mais dans ce processus, les ions d'oxygène deviennent plus mobiles, ce qui peut les faire s'échapper des particules de la cathode. Les chercheurs ont utilisé un traitement de surface à haute température avec du sel fondu pour produire une couche superficielle protectrice sur les particules d'oxyde métallique riche en manganèse et en lithium, de sorte que la perte d'oxygène est considérablement réduite.

Même si la couche de surface est très fine, de 5 à 20 nanomètres d'épaisseur seulement sur une particule de 400 nanomètres de large, elle offre une bonne protection au matériau sous-jacent. "C'est presque comme une immunisation", explique M. Li, contre les effets destructeurs de la perte d'oxygène dans les batteries utilisées à température ambiante. Les versions actuelles offrent une amélioration d'au moins 50 % de la quantité d'énergie qui peut être stockée pour un poids donné, avec une bien meilleure stabilité de cycle.

Jusqu'à présent, l'équipe n'a construit que de petits appareils de laboratoire, mais "je pense qu'il sera possible de les mettre à l'échelle très rapidement", précise M. Li. Les matériaux nécessaires, principalement le manganèse, sont nettement moins chers que le nickel ou le cobalt utilisés par d'autres systèmes, de sorte que ces cathodes pourraient coûter aussi peu qu'un cinquième de ce que coûtent les versions classiques.

 

Auteur : Nouvelles de Tasnim

Crédit image : Pixabay

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