Selon une étude publiée dans Nature, des chercheurs ont utilisé des techniques d’imagerie avancées pour comprendre les causes de défaillance des batteries lithium-métal à l’état solide (Li-SSB). Contrairement aux batteries classiques, les Li-SSB remplacent l’électrolyte liquide inflammable par un électrolyte solide et utilisent du lithium métal comme anode. Cela permet une meilleure sécurité et un stockage d’énergie plus important, ce qui pourrait révolutionner les secteurs des véhicules électriques et de l’aviation.
Des chercheurs de l’Université d’Oxford ont découvert comment les batteries à l’état solide au lithium métal (Li-SSB) tombent en panne, ce qui pourrait ouvrir la voie à des batteries améliorées pour les véhicules électriques. L’équipe a identifié que la formation et la croissance des « dendrites » provoquent le court-circuit des batteries, ce qui pourrait aider à surmonter les obstacles technologiques dans le développement des batteries à l’état solide.
- Une nouvelle étude a révélé les mécanismes à l’origine de la défaillance des batteries lithium-métal à l’état solide.
- Les chercheurs ont utilisé une méthode d’imagerie à haute résolution pour visualiser les batteries dans des détails sans précédent pendant la charge.
- Ces nouvelles connaissances pourraient aider à surmonter les problèmes techniques liés aux batteries à l’état solide, ce qui ouvrirait la voie à une technologie qui changerait la donne dans le domaine des véhicules électriques et de l’aviation.
Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l’Université d’Oxford et publiée le 7 juin dans la revue Nature pourrait permettre de se rapprocher d’une amélioration significative des batteries de véhicules électriques. L’utilisation de techniques d’imagerie avancées a permis de mettre en évidence les mécanismes à l’origine de la défaillance des batteries au lithium métal à l’état solide (Li-SSB). Si ces mécanismes peuvent être surmontés, les batteries à l’état solide utilisant des anodes en lithium métal pourraient améliorer considérablement l’autonomie, la sécurité et les performances des batteries des véhicules électriques et contribuer à faire progresser l’aviation à propulsion électrique.
L’un des co-auteurs principaux de l’étude, Dominic Melvin, étudiant en doctorat au département des matériaux de l’Université d’Oxford, a déclaré : « La mise au point de batteries à l’état solide avec des anodes en lithium métal est l’un des défis les plus importants auxquels est confrontée l’évolution des technologies des batteries. Les batteries lithium-ion actuelles continueront à s’améliorer, mais la recherche sur les batteries à l’état solide a le potentiel d’être très rentable et de changer la donne. »
Les Li-SSB se distinguent des autres batteries car elles remplacent l’électrolyte liquide inflammable des batteries conventionnelles par un électrolyte solide et utilisent du lithium métal comme anode (électrode négative). L’utilisation d’un électrolyte solide améliore la sécurité et l’utilisation de lithium métal permet de stocker plus d’énergie. Les Li-SSB posent toutefois un problème majeur : ils sont susceptibles de se court-circuiter lors de la charge en raison de la formation de « dendrites », c’est-à-dire de filaments de lithium métal qui se fissurent à travers l’électrolyte en céramique. Dans le cadre du projet SOLBAT de l’institution Faraday, des chercheurs des départements des matériaux, de la chimie et des sciences de l’ingénieur de l’université d’Oxford ont mené une série d’études approfondies pour mieux comprendre comment ce court-circuit se produit.
Images de tomographie à rayons X montrant la croissance progressive d’une fissure de dendrite de lithium à l’intérieur d’une batterie à semi-conducteurs pendant le processus de charge. Crédit : Dominic Melvin, Nature, 2023.
Dans cette dernière étude, le groupe a utilisé une technique d’imagerie avancée appelée tomographie à rayons X à la Diamond Light Source pour visualiser la rupture de la dendrite avec un niveau de détail sans précédent pendant le processus de charge. La nouvelle étude d’imagerie a révélé que l’initiation et la propagation des fissures de la dendrite sont des processus distincts, entraînés par des mécanismes sous-jacents distincts. Les fissures de dendrite apparaissent lorsque le lithium s’accumule dans les pores sous la surface. Lorsque les pores sont pleins, la poursuite de la charge de la batterie augmente la pression, ce qui entraîne la formation de fissures. En revanche, la propagation se produit lorsque le lithium ne remplit que partiellement la fissure, par le biais d’un mécanisme d’ouverture en coin qui entraîne l’ouverture de la fissure par l’arrière.
Cette nouvelle compréhension ouvre la voie à la résolution des problèmes technologiques posés par les Li-SSB. Dominic Melvin a déclaré : « Par exemple, alors que la pression à l’anode de lithium peut être bonne pour éviter que des lacunes ne se développent à l’interface avec l’électrolyte solide lors de la décharge, nos résultats démontrent qu’une pression trop élevée peut être préjudiciable, rendant la propagation des dendrites et les courts-circuits lors de la charge plus probables. »
Sir Peter Bruce, titulaire de la chaire Wolfson, professeur de matériaux à l’université d’Oxford, scientifique en chef de la Faraday Institution et auteur correspondant de l’étude, a déclaré : « Le processus par lequel un métal mou comme le lithium peut pénétrer dans un électrolyte céramique dur très dense s’est avéré difficile à comprendre, avec de nombreuses contributions importantes d’excellents scientifiques du monde entier. Nous espérons que les connaissances supplémentaires que nous avons acquises contribueront à faire progresser la recherche sur les batteries à l’état solide vers un dispositif pratique ».
Selon un rapport récent de la Faraday Institution, les SSB pourraient satisfaire 50 % de la demande mondiale de batteries dans l’électronique grand public, 30 % dans les transports et plus de 10 % dans les avions d’ici 2040.
Le professeur Pam Thomas, PDG de la Faraday Institution, a déclaré : « Les chercheurs de SOLBAT continuent à développer une compréhension mécanique de la défaillance des batteries à l’état solide – un obstacle qui doit être surmonté avant que des batteries de haute puissance avec des performances commercialement pertinentes puissent être réalisées pour les applications automobiles. Le projet fournit des informations sur les stratégies que les fabricants de cellules pourraient utiliser pour éviter la défaillance des cellules pour cette technologie. Cette recherche inspirée par les applications est un excellent exemple du type d’avancées scientifiques pour lesquelles l’institution Faraday a été créée ».
Référence : « Dendrite initiation and propagation in lithium metal solid-state batteries » par Ziyang Ning, Guanchen Li, Dominic L. R. Melvin, Yang Chen, Junfu Bu, Dominic Spencer-Jolly, Junliang Liu, Bingkun Hu, Xiangwen Gao, Johann Perera, Chen Gong, Shengda D. Pu, Shengming Zhang, Boyang Liu, Gareth O. Hartley, Andrew J. Bodey, Richard I. Todd, Patrick S. Grant, David E. J. Armstrong, T. James Marrow, Charles W. Monroe et Peter G. Bruce, 7 juin 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-05970-4