Prévention des courts-circuits dangereux dans les piles au lithium
Des chercheurs révèlent la croissance surprenante de dendrites destructrices dans des électrolytes
Les dendrites sont considérées comme les destructeurs les plus dangereux des piles au lithium - de minuscules structures métalliques qui peuvent provoquer des courts-circuits. Dans le pire des cas, elles peuvent faire brûler ou exploser les piles. Une équipe de chercheurs de l'université technique de Munich (TUM) vient de découvrir que ces structures peuvent se former non seulement au niveau des électrodes, mais aussi dans les électrolytes à base de polymères. Cette nouvelle découverte est cruciale pour la stabilité des futures batteries à l'état solide.
Les batteries au lithium-métal comptent parmi les technologies les plus prometteuses pour le stockage de l'énergie. Elles offrent beaucoup plus d'énergie dans moins d'espace - et pour un poids plus faible. Toutefois, un phénomène ralentit leur développement : de minuscules structures métalliques en forme d'aiguilles, appelées dendrites, constituées de lithium. Elles peuvent se développer de manière incontrôlée à l'intérieur de la batterie et provoquer des courts-circuits dévastateurs. Jusqu'à présent, les électrolytes solides, y compris les électrolytes à base de polymères, ont été considérés comme un moyen de supprimer cette croissance.
"Les électrolytes sont responsables du transport des ions lithium entre les deux électrodes à l'intérieur d'une batterie, rendant ainsi possible le flux de courant", explique Fabian Apfelbeck. Le physicien poursuit son doctorat dans le groupe de recherche du professeur Peter Müller-Buschbaum à la chaire des matériaux fonctionnels de la TUM et est financé par le pôle d'excellence e-conversion.
Les électrolytes à base de polymères offrent une plus grande stabilité et une meilleure sécurité que les électrolytes liquides, car ils ne peuvent ni fuir ni s'enflammer. Ils séparent également de manière fiable les électrodes les unes des autres et évitent ainsi les courts-circuits. "Toutefois, nos mesures montrent que la croissance des dendrites peut également se produire directement à l'intérieur de l'électrolyte polymère, c'est-à-dire dans le matériau qui est censé protéger contre les dendrites", explique Fabian Apfelbeck, premier auteur de l'étude publiée dans Nature Communications.
Utilisation d'un nanofocus pour observer l'intérieur de la batterie
Ces résultats remettent donc en question une hypothèse centrale de la recherche sur les piles. Le professeur Peter Müller-Buschbaum explique : "Jusqu'à présent, on supposait que la croissance des dendrites ne se produisait qu'à l'interface entre l'électrode et l'électrolyte. Le fait qu'elle apparaisse également loin de cette interface nous a surpris. Ces nouvelles connaissances nous aident à développer - et à améliorer - des matériaux dans lesquels de tels processus de cristallisation interne ne se produisent pas, ce qui permet un stockage de l'énergie plus efficace, plus sûr et plus durable".
Les chercheurs ont utilisé une méthode particulièrement précise pour leurs recherches : les expériences de diffusion des rayons X à grand angle dites "nanofocus", réalisées au synchrotron électronique allemand DESY à Hambourg. En utilisant un faisceau de rayons X d'un diamètre de 350 nanomètres seulement, ils ont pu visualiser pour la première fois les changements microscopiques à l'intérieur d'un électrolyte à base de polymère pendant le fonctionnement d'une batterie. Pour ce faire, ils ont utilisé une cellule miniature spécialement développée qui permet d'observer la batterie dans des conditions de fonctionnement réelles.
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Publication originale
Fabian A. C. Apfelbeck, Gilles E. Wittmann, Morgan P. Le Dû, Lyuyang Cheng, Yuxin Liang, Yingying Yan, Anton Davydok, Christina Krywka, Peter Müller-Buschbaum; "Local crystallization inside the polymer electrolyte for lithium metal batteries observed by operando nanofocus WAXS"; Nature Communications, Volume 16, 2025-10-8
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