Une nouvelle « armure chimique » pourrait ouvrir la voie au Saint Graal de la technologie des batteries à l'état solide
Un revêtement simple, appliqué en une seule étape, permet de former une couche protectrice hybride à base de silicium et d'indium sur le lithium métallique, ce qui quadruple la densité de courant et prolonge la durée de vie de la batterie.
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Et si recharger votre voiture électrique ne prenait pas plus de temps que de faire le plein d'essence, et si la batterie durait des décennies ? Les scientifiques placent depuis longtemps leurs espoirs dans les batteries au lithium-métal pour que cela devienne réalité. Surnommé le « Saint Graal » du stockage d’énergie, le lithium métal offre une capacité théorique près de dix fois supérieure à celle du graphite utilisé dans les smartphones et les véhicules électriques actuels. Pourtant, chaque fois que les chercheurs s’en approchent, le métal développe des filaments microscopiques en forme d’arbres, appelés dendrites, qui perforent la batterie, provoquent des courts-circuits et peuvent même déclencher des incendies.
Cette illustration représente la formation in situ de la couche intermédiaire PFSIn-Li sur une anode en lithium métallique. Un précurseur liquide contenant un polymère siloxane fluoré et un sel d’indium réagit à la surface du lithium pour former un film hybride multifonctionnel. Le réseau polymère organique s'interpénètre avec des nanodomaines inorganiques de fluorure de lithium, d'alliage lithium-indium et d'oxyde de lithium et de silicium, ce qui permet à la fois de freiner la croissance des dendrites et de stabiliser l'interface avec l'électrolyte solide à base de sulfure.
©Science China Press
Aujourd’hui, une équipe de l’université de Xidian, en Chine, pourrait avoir trouvé le moyen de dompter ce métal indiscipliné grâce à une astuce chimique étonnamment simple : recouvrir sa surface d’un liquide qui se transforme in situ en une armure durable et multifonctionnelle.
Dans une étude publiée dans SCIENCE CHINA Chemistry, des chercheurs dirigés par les professeurs Siwu Li, Weiwei Wu et Chuang Yu décrivent un revêtement coulé en solution en une seule étape qui transforme la surface d’un lithium métallique standard en un bouclier hybride. Ce revêtement associe un polymère à base de silicium à du chlorure d’indium. Lorsqu’il est appliqué sur le lithium, le comportement chimique naturel du métal déclenche une réaction de réduction in situ. Les groupes fluorés du polymère se transforment en fluorure de lithium, un isolant électrique extrêmement solide, tandis que les ions indium se réduisent et s’allient au lithium pour former de minuscules nanoparticules. Tout ce processus se déroule au sein d’un film souple de 12 micromètres d’épaisseur qui adhère étroitement à la surface du lithium.
« Cette couche hybride agit comme une forteresse intelligente », explique l’auteur correspondant Siwu Li. « Le squelette polymère offre la souplesse nécessaire pour absorber les contraintes mécaniques liées à la dilatation et à la contraction du lithium. La phase de fluorure de lithium bloque les électrons pour empêcher la nucléation des dendrites. Et les nanoparticules d’alliage lithium-indium agissent comme des régulateurs de circulation, guidant les ions lithium pour qu’ils se déposent uniformément plutôt que de s’accumuler en pics dangereux. »
Les chiffres sont éloquents. Lors d’essais sur des cellules symétriques, l’anode au lithium protégée a supporté une densité de courant critique de 3,5 mA cm⁻², soit plus de quatre fois les 0,8 mA cm⁻² que le lithium non protégé peut supporter avant de céder. Dans des cellules complètes associées à une cathode en oxyde de nickel-cobalt-manganèse et à un électrolyte solide à base de sulfure, cette nouvelle conception a offert une capacité initiale de 129,8 mA·h·g⁻¹ et a conservé 82,3 % de cette capacité après 300 cycles à 0,5 C. Les cellules au lithium nues n’ont conservé que 43,0 %.
Les chercheurs ont eu recours à des techniques avancées de spectroscopie et de microscopie pour confirmer l’architecture hybride. La diffraction des rayons X et la spectroscopie photoélectronique ont révélé la présence de réseaux organiques de siloxanes aux côtés de fluorure de lithium cristallin, d’indium métallique et d’un alliage lithium-indium. La microscopie électronique en coupe transversale a montré un film dense et uniforme, sans fissures ni interstices.
Il est important de noter que cette chimie est compatible avec la fabrication industrielle « roll-to-roll ». Le revêtement étant appliqué sous forme de simple solution liquide, il pourrait être intégré aux lignes de production de batteries existantes à l’aide de techniques d’enduction par filière ou par héliogravure, sans nécessiter de chambres à vide coûteuses.
Les batteries à l’état solide sont largement considérées comme la prochaine étape pour les véhicules électriques et le stockage d’énergie à l’échelle du réseau, car elles remplacent les électrolytes liquides inflammables par des matériaux solides plus sûrs. Les électrolytes à base de sulfure sont particulièrement intéressants en raison de leur conductivité ionique exceptionnellement élevée, mais leur instabilité face au lithium métallique constituait jusqu’à présent un obstacle majeur. Cette nouvelle stratégie d’ingénierie d’interface élimine efficacement cet obstacle sans compromettre les performances.
L’équipe estime que son approche ouvre la voie à la conception d’autres interfaces hybrides en remplaçant l’indium par d’autres métaux tels que l’étain ou le zinc. Pour l’instant, la combinaison chimique polysiloxane-indium offre une voie évolutive et peu coûteuse vers des batteries à haute énergie et longue durée de vie qui pourraient un jour alimenter tout, de l’aviation électrique aux réseaux d’énergie renouvelable.
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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