LES SUJETS:Technologie de batterieLithium-IonUCLA
Une découverte fondamentale et une nouvelle technique pourraient conduire à des batteries rechargeables meilleures et plus sûres.
UCLADes chercheurs ont fait une découverte révolutionnaire qui pourrait améliorer la sécurité et l'efficacité des batteries lithium-métal.En empêchant la corrosion lors du dépôt de lithium, les chercheurs ont découvert que les atomes de lithium forment une forme unique à 12 côtés, réduisant ainsi le risque d'explosion.Cette innovation pourrait potentiellement révolutionner la technologie des batteries au lithium, entraînant une amélioration de la sécurité et des performances.
Les batteries lithium-ion rechargeables alimentent les smartphones, les véhicules électriques et le stockage de l'énergie solaire et éolienne, entre autres technologies.
Ils descendent d'une autre technologie, la batterie lithium-métal, qui n'a pas été développée ou adoptée aussi largement.Il y a une raison à cela : alors que les batteries lithium-métal ont le potentiel de contenir environ le double de l'énergie que les batteries lithium-ion peuvent contenir, elles présentent également un risque beaucoup plus grand de prendre feu ou même d'exploser.
Recherche révolutionnaire sur les batteries lithium-métal
Maintenant, une étude menée par des membres du California NanoSystems Institute de l'UCLA révèle une découverte fondamentale qui pourrait conduire à des batteries lithium-métal plus sûres qui surpassent les batteries lithium-ion d'aujourd'hui.La recherche a été publiée le 2 août dans la revueNature.
Le lithium métallique réagit si facilement avec les produits chimiques que, dans des conditions normales, la corrosion se forme presque immédiatement lorsque le métal est déposé sur une surface telle qu'une électrode.Mais les enquêteurs de l'UCLA ont développé une technique qui empêche cette corrosion et a montré qu'en son absence, les atomes de lithium s'assemblent en une forme surprenante - le dodécaèdre rhombique, une figure à 12 faces similaire aux dés utilisés dans les jeux de rôle comme Donjons et Dragons. .
Comprendre les aspects structurels des batteries lithium-métal
"Il existe des milliers d'articles sur le lithium métal, et la plupart des descriptions de la structure sont qualitatives, telles que" volumineux "ou" en forme de colonne "", a déclaré Yuzhang Li, auteur correspondant de l'étude, professeur adjoint de génie chimique et biomoléculaire à l'UCLA Samueli School of Engineering et membre du CNSI.« Nous avons été surpris de découvrir que lorsque nous avons empêché la corrosion de surface, au lieu de ces formes mal définies, nous avons vu un polyèdre singulier qui correspond aux prédictions théoriques basées sur la structure cristalline du métal.Au final, cette étude nous permet de revoir notre compréhension des batteries lithium-métal. »
Batteries lithium-ion et lithium-métal contrastées
À des échelles minuscules, une batterie lithium-ion stocke des atomes de lithium chargés positivement dans une structure de carbone en forme de cage qui recouvre une électrode.En revanche, une batterie lithium-métal recouvre plutôt l'électrode de lithium métallique.Cela contient 10 fois plus de lithium dans le même espace que les batteries lithium-ion, ce qui explique l'augmentation des performances et du danger.
Le processus de pose du revêtement de lithium est basé sur une technique vieille de plus de 200 ans qui utilise de l'électricité et des solutions de sels appelés électrolytes.Souvent, le lithium forme des filaments ramifiés microscopiques avec des pointes saillantes.Dans une batterie, si deux de ces pointes s'entrecroisent, cela peut provoquer un court-circuit pouvant entraîner une explosion.
Implications de la découverte sur la sécurité et les performances des batteries
La révélation de la véritable forme du lithium - c'est-à-dire en l'absence de corrosion - suggère que le risque d'explosion des batteries lithium-métal peut être atténué, car les atomes s'accumulent sous une forme ordonnée au lieu d'une forme qui peut s'entrecroiser.La découverte pourrait également avoir des implications substantielles pour les technologies énergétiques à haute performance.
"Les scientifiques et les ingénieurs ont produit plus de deux décennies de recherches sur la synthèse de métaux, dont l'or, le platine et l'argent, sous des formes telles que des nanocubes, des nanosphères et des nanotiges", a déclaré Li."Maintenant que nous connaissons la forme du lithium, la question est : pouvons-nous l'accorder pour qu'il forme des cubes, qui peuvent être emballés de manière dense pour augmenter à la fois la sécurité et les performances des batteries ?"
Réinventer le processus de dépôt de lithium
Jusqu'à présent, l'opinion dominante était que le choix des électrolytes en solution détermine la forme que le lithium forme sur une surface - que la structure ressemble à des morceaux ou à des colonnes.Les chercheurs de l'UCLA avaient une idée différente.
"Nous voulions voir si nous pouvions déposer du lithium si rapidement que nous devions dépasser la réaction qui provoque le film de corrosion", a déclaré Xintong Yuan, doctorant à l'UCLA, premier auteur de l'étude."De cette façon, nous pourrions potentiellement voir comment le lithium veut se développer en l'absence de ce film."
Affiner la technique de dépôt de lithium
Les chercheurs ont développé une nouvelle technique pour déposer le lithium plus rapidement que les formes de corrosion.Ils ont fait passer du courant à travers une électrode beaucoup plus petite afin de faire sortir l'électricité plus rapidement - un peu comme la façon dont le blocage partiel de la buse d'un tuyau d'arrosage fait jaillir l'eau avec plus de force.
Un équilibre était cependant nécessaire, car trop accélérer le processus conduirait aux mêmes structures pointues qui provoquent des courts-circuits;l'équipe a résolu ce problème en ajustant la forme de leur minuscule électrode.
Ils ont déposé du lithium sur des surfaces en utilisant quatre électrolytes différents, comparant les résultats entre une technique standard et leur nouvelle méthode.Avec la corrosion, le lithium a formé quatre formes microscopiques distinctes.Cependant, avec leur processus sans corrosion, ils ont découvert que le lithium formait de minuscules dodécaèdres - pas plus gros que 2 millionièmes de mètre, soit environ la longueur moyenne d'une seule bactérie - dans les quatre cas.
Démêler la forme du lithium à l'aide de Cryo-EM
Les chercheurs ont pu voir la forme du lithium grâce à une technique d'imagerie appelée cryo-microscopie électronique, ou cryo-EM, qui envoie des électrons à travers des échantillons congelés afin de montrer les détails jusqu'au niveau atomique tout en inhibant les dommages aux échantillons.
La cryo-EM est devenue omniprésente dans les biosciences pour déterminer les structures des protéines et des virus.L'utilisation pour la science des matériaux se développe et les chercheurs de l'UCLA avaient deux avantages clés.
Tout d'abord, lorsque Li était étudiant diplômé, il a démontré que la cryo-EM peut être utilisée pour analyser le lithium, qui tombe en morceaux lorsqu'il est exposé à un faisceau d'électrons à température ambiante.(Son étude a été publiée en 2017 dans la revue Science.) Deuxièmement, l'équipe a réalisé des expériences au Centre d'imagerie électronique du CNSI pour les nanomachines, qui abrite plusieurs instruments cryo-EM qui ont été personnalisés pour s'adapter aux types d'échantillons utilisés dans la recherche sur les matériaux. .