Des prototypes de batteries au lithium métal dotées de séparateurs à nanomembrane de carbone sont testés.
En remplaçant le lithium métal pur à haute densité par du graphite, les scientifiques pourraient être en mesure d’améliorer considérablement les performances de la technologie des batteries, mais il reste des obstacles à surmonter. Des scientifiques de l’université Friedrich Schiller d’Iéna, en Allemagne, viennent de démontrer comment une membrane de carbone finement ajustée peut empêcher ces types de batteries de tomber en panne et leur permettre de se recharger en toute sécurité pendant des centaines de cycles.
Le principal problème qui freine le développement des batteries au lithium métal, qui pourraient stocker jusqu’à dix fois l’énergie des batteries lithium-ion actuelles, est la formation de structures en forme d’aiguille appelées dendrites. Pendant la charge, lorsque les ions lithium se déplacent entre les deux électrodes de la batterie, les atomes de lithium s’accumulent sur l’électrode négative, appelée anode. Cette accumulation entraîne la formation de dendrites en forme de pics qui peuvent percer le séparateur entre les électrodes et provoquer un court-circuit et une défaillance de la batterie.
Si les scientifiques parviennent à trouver un moyen d’empêcher la formation de dendrites, cela pourrait permettre aux batteries au lithium métal de tenir la distance. Nous avons vu toutes sortes de solutions potentielles créatives à ce problème, notamment l’utilisation de lithium ultrafin, de films de nanotubes et de couches protectrices auto-assemblées. Les auteurs de la nouvelle étude ont cherché à combattre les dendrites en utilisant une nouvelle membrane de carbone avec des trous finement réglés, qui affectent le transport des ions de la bonne manière.
« C’est pourquoi nous avons appliqué au séparateur une membrane bidimensionnelle extrêmement fine en carbone, dont les pores ont un diamètre inférieur à un nanomètre », explique le professeur Andrey Turchanin de l’université d’Iéna. « Ces minuscules ouvertures sont inférieures à la taille critique des noyaux et empêchent donc la nucléation qui conduit à la formation de dendrites. Au lieu de former des structures dendritiques, le lithium se dépose sur l’anode sous la forme d’un film lisse.
L’équipe a testé ce modèle de batterie en même temps qu’un autre sans membrane protectrice, et a constaté qu’il avait une durée de vie deux fois plus longue et ne présentait aucun signe de croissance de dendrites sur des centaines de cycles de charge. Les scientifiques considèrent qu’il s’agit d’une étape prometteuse vers la prochaine génération de batteries au lithium. Ils ont déposé un brevet et vont maintenant étudier comment la membrane peut être intégrée au processus de fabrication.
« Le séparateur est celui qui reçoit le moins d’attention par rapport aux autres composants de la batterie », explique Sathish Rajendran, étudiant diplômé de l’université d’État de Washington qui a collaboré à la recherche. « La mesure dans laquelle une membrane bidimensionnelle d’un nanomètre d’épaisseur sur le séparateur pourrait faire une différence dans la durée de vie d’une batterie est fascinante. »
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202100666
https://www.uni-jena.de/en/210618_Dendrit
