Produire des piles au lithium plus durables

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Le grand défi consistant à améliorer le stockage d’énergie et à augmenter la durée de vie des batteries, tout en garantissant un fonctionnement en toute sécurité, devient de plus en plus crucial à mesure que nous dépendons de cette source d’énergie, allant des appareils portables aux véhicules électriques.

Une nouvelle méthode pour prolonger la durée de vie d’une batterie

Une équipe de la Columbia Engineering dirigée par Yuan Yang, professeur adjoint en science et ingénierie des matériaux, a annoncé aujourd’hui avoir développé une nouvelle méthode permettant de prolonger la durée de vie d’une batterie en insérant un nano-revêtement de nitrure de bore (BN) pour stabiliser les électrolytes solides dans les piles au lithium.

Alors que les batteries classiques au lithium-ion (Li-ion) sont couramment utilisées dans la vie quotidienne, elles ont une densité d’énergie faible, ce qui réduit leur durée de vie et, en raison de la présence d’électrolytes liquides hautement inflammables, elles peuvent provoquer des courts-circuits et même s’enflammer. La densité énergétique pourrait être améliorée en utilisant du lithium métallique pour remplacer l’anode en graphite qui est utilisée dans les batteries Li-ion: la capacité théorique du lithium métallique pour la quantité de charge qu’elle peut délivrer est près de 10 fois supérieure à celle du graphite.

Toutefois, lors de la galvanisation au lithium, des dendrites se forment souvent et s’ils pénètrent dans le séparateur à membrane au milieu de la batterie, ils peuvent créer des courts-circuits, ce qui soulève des préoccupations quant à la sécurité de la batterie.

Des électrolytes en céramique solides

«Nous avons décidé de nous concentrer sur les électrolytes en céramique solides. Ils sont très prometteurs pour améliorer à la fois la sécurité et la densité énergétique, par rapport aux électrolytes conventionnels inflammables dans les batteries Li-ion », a déclaré Yang. «Nous nous intéressons particulièrement aux batteries au lithium rechargeables à semi-conducteurs, car elles sont des candidats prometteurs pour le stockage de l’énergie de nouvelle génération.»

La plupart des électrolytes solides sont en céramique, et donc ininflammables, éliminant ainsi les problèmes de sécurité. De plus, les électrolytes en céramique solide ont une résistance mécanique élevée qui peut empêcher la croissance de dendrite de lithium, faisant de ce métal une option de revêtement pour les anodes des batteries. Cependant, la plupart des électrolytes solides sont instables vis-à-vis du lithium – ils peuvent être facilement corrodés par ce métal et ne peuvent pas être utilisés dans des batteries.

«Le lithium est indispensable pour augmenter la densité énergétique et il est donc essentiel de pouvoir l’utiliser comme anode pour avoir des électrolytes solides», déclare Qian Cheng, auteur principal de l’article et chercheur post-doctoral au département de physique appliquée et de mathématiques appliquées, qui travaille dans le groupe de Yang.

«Pour adapter ces électrolytes solides instables à des applications réelles, nous devions développer une interface chimiquement et mécaniquement stable afin de protéger ces électrolytes solides contre l’anode en lithium. Il est essentiel que l’interface soit non seulement très isolante de l’électronique, mais également conductrice de manière ionique afin de transporter les ions lithium. De plus, cette interface doit être ultra-fine pour éviter de réduire la densité énergétique des batteries. »

Un nanofilm de nitrure de bore

Pour relever ces défis, l’équipe a travaillé avec des collègues du Brookhaven National Lab et de la City University of New York. Ils ont déposé un nanofilm de nitrure de bore (BN) de 5 ~ 10 nm en tant que couche protectrice pour isoler le contact électrique entre le lithium et le conducteur ionique (l’électrolyte solide), ainsi qu’une infime trace de polymère ou d’électrolyte liquide pour infiltrer l’électrode / interface électrolyte.

Ils ont choisi le BN comme couche protectrice, car il est stable chimiquement et mécaniquement avec le lithium, offrant ainsi un degré élevé d’isolation électronique. Ils ont conçu la couche de BN de manière à présenter des défauts intrinsèques, à travers lesquels les ions lithium peuvent passer, lui permettant de servir d’excellents séparateurs. De plus, le BN peut être facilement préparé par dépôt chimique en phase vapeur pour former des films.

«Alors que des études antérieures utilisaient des couches de protection de polymères d’une épaisseur allant jusqu’à 200 µm, notre film protecteur fait de BN, a une épaisseur de seulement 5 à 10 nm, sans réduire la densité énergétique des batteries».

C’est le matériau idéal pour servir de barrière 

«C’est le matériau idéal pour servir de barrière empêchant l’invasion du lithium par l’électrolyte solide. Comme un gilet pare-balles, nous avons développé un «gilet» résistant au lithium pour les électrolytes solides instables et, grâce à cette innovation, nous avons réalisé des batteries au lithium ayant une longue durée de vie.»

Les conclusions de cette recherche sont décrites dans Joule.

Source : Columbia University School of Engineering and Applied Science
Crédit photo sur Unsplash : Oleg Magni

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