Un nouveau revêtement protecteur améliore la sécurité et la densité énergétique des batteries au lithium métal

Université de Stanford, Californie

Rendu artistique d’une fine couche atomique d’argent et de quelques atomes d’argent sous la surface, protégeant la structure cristalline d’un électrolyte solide de la pression mécanique. (Image :Chaoyang Zhao)

Un électrolyte solide, plutôt que liquide, entre les électrodes opposées d'une batterie devrait, en théorie, permettre une batterie rechargeable au lithium métal qui est plus sûre, contient beaucoup plus d'énergie et se charge considérablement plus rapidement que les batteries lithium-ion disponibles dans le commerce aujourd'hui. Pendant des décennies, les scientifiques et les ingénieurs ont exploré plusieurs voies pour concrétiser les grandes promesses des batteries au lithium métal. Un problème majeur avec les électrolytes solides et cristallins étudiés est la formation de fissures microscopiques qui se développent pendant l'utilisation jusqu'à ce que la batterie tombe en panne.

Des chercheurs de Stanford, s’appuyant sur les résultats publiés il y a trois ans qui identifiaient la façon dont ces minuscules imperfections se forment et se développent, ont découvert que le recuit d’une couche d’argent extrêmement fine sur la surface de l’électrolyte solide semble résoudre en grande partie le problème. Comme indiqué dans Nature Materials , ce revêtement renforce par cinq la surface de l'électrolyte contre la fracturation due à la pression mécanique. Cela rend également les imperfections existantes beaucoup moins vulnérables au lithium qui s'enfouit à l'intérieur, en particulier lors d'une recharge rapide, qui transforme les nanofissures en nanofissures et finit par rendre la batterie inutile.

"L'électrolyte solide que nous et d'autres travaillons à améliorer est une sorte de céramique qui permet aux ions lithium de circuler facilement, mais il est fragile", a déclaré Wendy Gu, professeur agrégé de génie mécanique et auteur principal de l'étude. "À une échelle incroyablement petite, ce n'est pas sans rappeler les assiettes ou les bols en céramique que vous avez à la maison et qui présentent de minuscules fissures à la surface."

"Une batterie à semi-conducteurs réelle est constituée de couches de feuilles de cathode-électrolyte-anode empilées. Les fabriquer sans les moindres imperfections serait presque impossible et très coûteux", a déclaré Gu. "Nous avons décidé qu'une surface protectrice serait peut-être plus réaliste, et juste un peu d'argent semble faire un très bon travail."

Des recherches antérieures menées par d'autres scientifiques ont étudié l'utilisation de revêtements métalliques Ag sur le même matériau électrolytique solide – connu sous le nom de « LLZO » pour son mélange d'atomes de lithium, de lanthane et de zirconium, ainsi que d'oxygène – avec lequel l'étude actuelle a travaillé. Alors que les études précédentes utilisaient de l’argent métallique pour améliorer les performances de la batterie, la nouvelle étude utilisait une forme d’argent dissoute ayant perdu un électron (Ag+). Cet argent dissous et chargé, contrairement à l'argent solide métallique, est directement responsable du durcissement de la céramique contre la formation de fissures.

Les chercheurs ont déposé une couche d’argent de 3 nanomètres d’épaisseur sur les surfaces LLZO, puis ont chauffé les échantillons jusqu’à 300 °C (572 °F). Pendant le chauffage, les atomes d’argent se sont diffusés à la surface de l’électrolyte, échangeant leur place avec des atomes de lithium beaucoup plus petits jusqu’à une profondeur de 20 à 50 nanomètres. L'argent est resté sous forme d'ions chargés positivement plutôt que d'argent métallique, ce qui, selon les scientifiques, est essentiel pour empêcher la formation de fissures. Là où des imperfections existent, la présence de certains ions argent positifs empêche également le lithium de s'introduire et de développer des branches destructrices à l'intérieur de l'électrolyte.

"Cette méthode peut être étendue à une large classe de céramiques. Elle démontre que des revêtements de surface ultrafins peuvent rendre l'électrolyte moins cassant et plus stable dans des conditions électrochimiques et mécaniques extrêmes, comme une charge et une pression rapides", a déclaré Xin Xu, qui a travaillé à Stanford dans le laboratoire du professeur William Chueh, auteur principal de l'étude et directeur de l'Institut Precourt pour l'énergie, qui fait partie de la Stanford Doerr School of Sustainability.

À l’aide d’une sonde spécialisée placée dans un microscope électronique à balayage, les chercheurs ont mesuré la force nécessaire pour fracturer la surface. L’électrolyte solide traité à l’argent nécessitait près de cinq fois plus de pression pour se fissurer que le matériau non traité. Jusqu’à présent, les expériences ont fonctionné avec de petits échantillons plutôt qu’avec des batteries complètes. Les chercheurs appliquent désormais le traitement de surface à base d'argent aux batteries entièrement au lithium métal pour voir dans quelle mesure le revêtement fonctionne dans des conditions réelles, telles qu'une charge rapide répétée et une utilisation à long terme.

En outre, l’équipe étudie diverses stratégies permettant d’utiliser la pression mécanique sous différents angles, susceptibles de prolonger la durée de vie de la batterie. Ils étudient également des méthodes permettant de prévenir les défaillances d'autres types d'électrolytes solides, comme ceux à base de soufre, qui pourraient présenter des avantages supplémentaires, tels qu'une stabilité chimique améliorée avec le lithium. L'application de ces résultats aux nouvelles batteries à base de sodium est une possibilité intéressante, qui pourrait contribuer à alléger les contraintes de la chaîne d'approvisionnement sur les batteries au lithium.

L'argent n'est pas la seule option, ont indiqué les chercheurs. Les premiers tests avec d’autres métaux moins chers – le cuivre par exemple – ont donné des résultats encourageants. Ensemble, ces résultats suggèrent une approche nouvelle et flexible pour renforcer les matériaux fragiles qui pourraient être cruciaux pour les batteries de nouvelle génération.

Pour plus d'informations, contactez Wendy Gu à Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer Javascript pour le visualiser..