SUJETS :Technologie de batterieLithium-IonUCLA
Des découvertes fondamentales et de nouvelles techniques 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 du 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, conduisant à une sécurité et des performances améliorées.
Les batteries lithium-ion rechargeables alimentent, entre autres technologies, les smartphones, les véhicules électriques et le stockage de l’énergie solaire et éolienne.
Ils descendent d’une autre technologie, la batterie lithium-métal, qui n’a pas été développée ni adoptée aussi largement. Il y a une raison à cela : si les batteries au lithium-métal ont le potentiel de contenir environ le double de l'énergie que les batteries au lithium-ion, elles présentent également un risque bien plus élevé de prendre feu ou même d'exploser.
Recherche révolutionnaire sur les batteries lithium-métal
Aujourd'hui, 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, supérieures aux batteries lithium-ion actuelles. 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 ont montré qu'en son absence, les atomes de lithium s'assemblent pour former une forme surprenante : le dodécaèdre rhombique, une figure à 12 faces semblable 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 "grosses" ou "en forme de colonne"", a déclaré Yuzhang Li, auteur correspondant de l'étude, professeur adjoint de génie chimique et biomoléculaire à l'école d'ingénierie UCLA Samueli et membre du CNSI. "Il a été surprenant pour nous de découvrir que lorsque nous avons évité 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. En fin de compte, cette étude nous permet de réviser 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 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 à la fois des performances et du danger.
Le processus de dépôt du revêtement de lithium repose sur une technique vieille de plus de 200 ans qui utilise l'électricité et des solutions de sels appelées 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 conduire à une explosion.
Implications de la découverte sur la sécurité et les performances de la batterie
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 réduit, car les atomes s’accumulent de manière ordonnée au lieu de s’entrecroiser. Cette découverte pourrait également avoir des implications substantielles pour les technologies énergétiques à haute performance.
"Les scientifiques et les ingénieurs ont réalisé plus de deux décennies de recherche sur la synthèse de métaux, notamment 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 le régler 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 du lithium
Jusqu’à présent, l’opinion dominante était que le choix des électrolytes en solution détermine la forme que forme le lithium sur une surface – si la structure ressemble à des morceaux ou à des colonnes. Les chercheurs de l'UCLA ont eu 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 du lithium
Les chercheurs ont développé une nouvelle technique permettant de déposer du lithium plus rapidement que la corrosion. Ils ont fait passer le courant à travers une électrode beaucoup plus petite afin de faire sortir l’électricité plus rapidement – un peu comme le fait de bloquer partiellement la buse d’un tuyau d’arrosage fait jaillir l’eau avec plus de force.
Un équilibre était cependant nécessaire, car une trop grande accélération du processus conduirait aux mêmes structures hérissées qui provoquent des courts-circuits ; l'équipe a résolu ce problème en ajustant la forme de sa petite 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, grâce à leur procédé sans corrosion, ils ont découvert que le lithium formait de minuscules dodécaèdres – pas plus grands que 2 millionièmes de mètre, soit environ la longueur moyenne d’une seule bactérie – dans les quatre cas.
Dévoiler 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 microscopie cryoélectronique, ou cryo-EM, qui projette des électrons à travers des échantillons congelés afin de montrer les détails jusqu'au niveau atomique tout en inhibant les dommages causés aux échantillons.
La cryo-EM est devenue omniprésente dans les biosciences pour déterminer les structures des protéines et des virus. L'utilisation de ces matériaux dans la science des matériaux est en croissance et les chercheurs de l'UCLA disposaient de deux avantages clés.
Tout d’abord, lorsque Li était étudiant diplômé, il a démontré que la cryo-EM pouvait être utilisée pour analyser le lithium, qui se désagrège 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 pour nanomachines du CNSI, qui abrite plusieurs instruments cryo-EM personnalisés pour s'adapter aux types d'échantillons utilisés dans la recherche sur les matériaux.