Des chercheurs spécialisés dans les batteries ont créé des images 3D en temps réel des batteries au lithium-métal. Ils ont observé comment le lithium-métal se charge et se décharge dans la cellule de la batterie. Cette nouvelle méthode pourrait aider à créer des batteries plus puissantes et plus sûres pour les futurs véhicules et appareils. « Nous avons ouvert une nouvelle fenêtre pour comprendre - et à long terme pour optimiser - les batteries au lithium métal du futur. Lorsque nous pouvons étudier exactement ce qui se passe au lithium dans une cellule pendant le cycle, nous acquérons des connaissances importantes sur ce qui affecte son fonctionnement interne », explique Aleksandar Matic, professeur au département de physique de Chalmers, en Suède et responsable de l'étude scientifique publiée récemment dans Nature Communications. De nouveaux concepts de batteries, comme celles au lithium-métal, pourraient remplacer les batteries lithium-ion actuelles. Les batteries à semi-conducteurs, au lithium-soufre et au lithium-oxygène sont des alternatives prometteuses. Tous ces concepts utilisent du lithium-métal comme anode à la place du graphite que l'on trouve dans les batteries actuelles, permettant ainsi une densité énergétique trois à cinq fois supérieures.
Mais le lithium-métal n’est pas parfait
Cependant, les batteries au lithium-métal ont un problème majeur lié à leur bon fonctionnement. Lorsque la batterie est chargée ou déchargée, le lithium peut ne pas se déposer de manière uniforme et lisse, mais peut former des microstructures moussues ou dendritiques, qui sont de longues structures en forme d'aiguilles. Les parties des dépôts de lithium peuvent également devenir inactives et isolées. Les dendrites peuvent même atteindre l'autre électrode de la batterie et provoquer un court-circuit. Ainsi, il est important de comprendre quand, comment et pourquoi ces structures se forment. « Pour utiliser cette technologie dans la prochaine génération de batteries, nous devons étudier comment une cellule est affectée par des facteurs tels que la densité de courant, le choix de l'électrolyte et le nombre de cycles. Nous disposons maintenant d'un outil pour cela », explique Matthew Sadd, chercheur à Chalmers et co-auteur de l'étude susmentionnée avec son collègue Shizhao Xiong.
L'expérience pour observer la formation de microstructures de lithium dans une cellule fonctionnelle a été menée à la Source de Lumière Suisse, près de Zurich, en Suisse. Ici, les chercheurs peuvent étudier le dépôt de lithium en temps réel et en 3D grâce à de la microscopie tomographique à rayons X. Bien que de nombreux chercheurs aient voulu étudier le lithium-métal dans une cellule fonctionnelle, personne n'avait réussi à le faire jusqu'à maintenant… Réussir cette étude serait une avancée majeure par rapport à l'analyse d'images après le cyclage d'une cellule. « Nous étions émerveillés lorsque nous avons vu de nos propres yeux que cela fonctionnait dès le premier essai. En observant le lithium créer de grandes structures, comme d'énormes aiguilles, nous avions presque l'impression de participer à un projet d'atterrissage lunaire. Nous avons souhaité depuis longtemps observer le fonctionnement interne des batteries en temps réel et maintenant, c'est possible », ajoute Aleksandar Matic.
Le lithium-métal bientôt à grande échelle
L'équipe de recherche souhaite désormais tester cette technique sur d'autres concepts de batteries. Ils espèrent que la technologie d'imagerie nécessaire sera bientôt disponible dans des laboratoires plus proches, tels que le laboratoire suédois MAX IV, une installation nationale de recherche pour des expériences avancées en rayons X. “Nous sommes impatients de développer cette méthode pour prendre des mesures plus rapides à une résolution plus élevée afin d'observer plus en détail les microstructures formées dès le début du processus de dépôt“, explique M. Matic. « Il s'agit d'une pièce maîtresse du puzzle qui nous permettra d'utiliser des batteries au lithium-métal à grande échelle et de les rendre sûres. De nombreuses équipes de recherche et entreprises s'intéressent au concept du lithium-métal pour leurs futurs prototypes ».
Ce que l’on sait du lithium-métal
Le lithium métal est considéré comme le matériau actif d'électrode négative le plus important pour les batteries à base de lithium en raison de sa capacité spécifique théorique élevée de 3860 mAh g−1, qui est un ordre de grandeur plus élevé que le graphite actuellement utilisé et parce qu'il est le métal le plus électropositif. Lorsqu'il est couplé à des cathodes à haute capacité, soit des matériaux d'insertion de lithium ou des chimies de conversion, ou appliqué dans une configuration solide, cela peut entraîner un saut dans la densité énergétique. Le principal défi dans l'utilisation directe du lithium métal comme anode est la formation d'une morphologie mousseuse et dendritique lors du cyclage manifestée par une faible efficacité coulombique, une consommation continue de l'électrolyte par des réactions secondaires parasites, une croissance continue de la couche interfaciale solide d'électrolyte (SEI) et une perte de capacité irréversible sur l'anode. Ces problèmes résultent de processus se produisant à la fois pendant la charge (dépôt de lithium) et la décharge (stripping de lithium), créant une structure d'électrode instable.
