Courts-circuits dans les piles à l'état solide : le mécanisme enfin prouvé
En utilisant la cryo-microscopie électronique sous vide, une équipe de Max Planck a résolu un débat vieux de dix ans sur la fissuration induite par les dendrites
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Les smartphones, les véhicules électriques et de nombreux appareils portables reposent sur des batteries. Leur capacité de stockage d'énergie, leur durée de vie et leur sécurité façonneront fortement l'avenir de l'électrification. Parmi les technologies de nouvelle génération les plus prometteuses figurent les batteries à l'état solide. Ces batteries permettraient aux smartphones de fonctionner pendant plusieurs jours au lieu de devoir être rechargés quotidiennement et aux véhicules électriques d'avoir une autonomie trois fois supérieure à celle des modèles actuels.
Intérieur d'une batterie lithium-ion comparé à une batterie à semi-conducteurs. L'utilisation à grande échelle des batteries à semi-conducteurs n'est pas encore possible en raison de la formation de dendrites pendant la charge.
P. Mehta: Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien GmbH
Contrairement aux batteries lithium-ion largement utilisées aujourd'hui, qui utilisent un électrolyte liquide entre deux électrodes solides, les batteries à l'état solide utilisent un électrolyte solide. Cette conception permet d'augmenter la densité énergétique, d'améliorer la sécurité et de prolonger la durée de vie des batteries. Cependant, un problème majeur limite encore leur utilisation commerciale. Pendant la charge, des intrusions microscopiques connues sous le nom de dendrites se forment. Ces minuscules structures arborescentes se développent à partir de l'anode, pénètrent dans l'électrolyte solide et provoquent des courts-circuits à l'intérieur de la batterie.
Une équipe interdisciplinaire de l'Institut Max Planck pour les matériaux durables a maintenant découvert comment les dendrites induisent une fracture, ce qui entraîne des courts-circuits. Ils ont publié leurs résultats dans la revue Nature.
Quelles sont les causes de la fissuration induite par les dendrites dans les piles à l'état solide ?
La formation de dendrites dans les batteries à semi-conducteurs est un phénomène contre-intuitif. "Bien que les électrodes et les dendrites en formation soient constituées de lithium métal, qui est mou comme un ours en peluche, les dendrites sont capables de pénétrer dans l'électrolyte céramique et de provoquer un court-circuit", explique le Dr Yuwei Zhang, premier auteur de la nouvelle publication et chef du groupe "Chemo-Mechanics of Battery Materials" à l'Institut Max Planck pour les matériaux durables. "Comment les dendrites souples peuvent-elles fracturer la céramique solide et rigide ? Il y a deux hypothèses : soit une contrainte interne est créée à l'intérieur des dendrites et induit une fracture mécanique de l'électrolyte solide. Soit des électrons fuient le long des joints de grains de l'électrolyte solide, favorisant la formation de noyaux de lithium qui s'interconnectent par la suite".
Pour prouver l'une ou l'autre hypothèse, les chercheurs ont utilisé un ensemble complexe de techniques de préparation des échantillons et de caractérisation des matériaux, entièrement sous vide et à des températures cryogéniques afin d'exclure toute influence de l'oxygène, de l'eau ou du faisceau d'électrons des microscopes.
L'équipe Max Planck a analysé l'état de contrainte et l'activité plastique des dendrites de lithium confinées dans les fissures et a pu montrer qu'aucun lithium n'était enrichi en amont de la pointe de la dendrite. "Le lithium métallique mou est capable de pénétrer dans l'électrolyte céramique rigide, comme un jet d'eau continu qui pénètre dans une roche. Nous avons calculé que la contrainte hydrostatique dans la dendrite conduit à la fin à une rupture fragile de l'électrolyte solide", explique Zhang. D'autres simulations de champ de phase et des mesures de diffraction par rétrodiffusion d'électrons ont étayé leurs conclusions.
Moyens possibles de prévenir ou de retarder la fissuration induite par les dendrites
Après avoir découvert comment se produit la fissuration induite par la dendrite, les chercheurs étudient à présent des stratégies pour la prévenir. Les approches possibles comprennent l'augmentation de la ténacité de l'électrolyte solide pour retarder la formation de fissures, l'introduction de vides microscopiques qui redirigent la croissance des dendrites et dévient les fissures, ou l'application de revêtements protecteurs sur les électrodes de lithium pour supprimer la formation de dendrites.
Ces résultats soulignent à quel point une compréhension fondamentale du comportement des matériaux est cruciale pour transformer des technologies prometteuses en applications pratiques dans le monde réel.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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