Germain
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LE COUPABLE CACHÉ QUI TUE LES BATTERIES AU LITHIUM-MÉTAL
Depuis des décennies, les scientifiques tentent de fabriquer des batteries au lithium-métal fiables. Ces cellules de stockage à haute performance contiennent 50% d’énergie supplémentaire par rapport à leurs cousines prolifiques, les batteries au lithium-ion, mais des taux de défaillance plus élevés et des problèmes de sécurité tels que les incendies et les explosions ont entravé les efforts de commercialisation. Les chercheurs ont émis des hypothèses sur les raisons de ces échecs, mais les preuves directes ont été rares.
Maintenant, les premières images à l’échelle nanométrique jamais prises à l’intérieur de batteries au lithium-métal intactes remettent en question les théories en vigueur et pourraient aider à rendre les futures batteries haute performance, telles que celles utilisées dans les véhicules électriques, plus sûres, plus puissantes et plus durables.
“Nous apprenons que nous devrions utiliser des matériaux de séparation adaptés au lithium-métal”, a déclaré Katie Harrison, chercheuse en batteries, responsable de l’équipe de Sandia National Laboratories chargée d’améliorer les performances des batteries au lithium-métal.
Les scientifiques de Sandia, en collaboration avec Thermo Fisher Scientific Inc., l’Université de l’Oregon et le Lawrence Berkeley National Laboratory, ont récemment publié ces images dans ACS Energy Letters. La recherche a été financée par le programme de recherche et de développement dirigé par le laboratoire de Sandia et le Département de l’Énergie.
ACCUMULATION DE SOUS-PRODUITS INTERNES, LA DIMENSION CACHÉE QUI TUE LES BATTERIES
L’équipe a chargé et déchargé à plusieurs reprises des piles bouton au lithium avec le même courant électrique de haute intensité nécessaire à la recharge des véhicules électriques. Certaines piles ont subi quelques cycles, tandis que d’autres en ont subi plus d’une centaine. Ensuite, les piles ont été expédiées à Thermo Fisher Scientific à Hillsboro, en Oregon, pour analyse.
Lorsque l’équipe a examiné les images de l’intérieur des batteries, elle s’attendait à trouver des dépôts de lithium en forme d’aiguille traversant toute la batterie. La plupart des chercheurs pensent qu’une pointe de lithium se forme après des cycles répétitifs et qu’elle traverse un séparateur en plastique entre l’anode et la cathode, formant un pont qui provoque un court-circuit. Mais le lithium est un métal mou, alors les scientifiques ne comprenaient pas comment il pouvait passer à travers le séparateur.
L’équipe de Harrison a découvert un deuxième coupable surprenant: un dépôt dur formé comme sous-produit des réactions chimiques internes de la batterie. À chaque recharge de la batterie, le sous-produit, appelé interface électrolytique solide, se développait. En recouvrant le lithium, il déchirait des trous dans le séparateur, créant des ouvertures pour que les dépôts métalliques se propagent et provoquent un court-circuit. Ensemble, les dépôts de lithium et le sous-produit étaient beaucoup plus destructeurs que ce que l’on croyait auparavant, agissant moins comme une aiguille et plus comme une lame de chasse-neige.
“Le séparateur est complètement déchiqueté”, a déclaré Harrison, ajoutant que ce mécanisme n’a été observé qu’à des vitesses de charge rapide nécessaires pour les technologies de véhicules électriques, mais pas à des vitesses de charge plus lentes.
Alors que les scientifiques de Sandia réfléchissent à la manière de modifier les matériaux de séparation, Harrison affirme qu’il faudra également effectuer des recherches supplémentaires pour réduire la formation des sous-produits.
DEUXIÈME COUPABLE: LES LASERS ET LA CRYOGÉNIE RÉVÈLENT DES IMAGES “FROIDES”
Déterminer la cause de la mort d’une pile bouton est étonnamment difficile. Le problème vient de son boîtier en acier inoxydable. La coque métallique limite les capacités de diagnostic, comme les rayons X, qui ne peuvent voir que l’extérieur de la pile, tandis que l’élimination de parties de la pile pour analyse déchire les couches de la batterie et déforme les éventuelles preuves à l’intérieur.
“Nous avons différents outils qui peuvent étudier différentes composantes d’une batterie, mais nous n’avons pas vraiment eu d’outil capable de tout résoudre en une seule image”, a déclaré Katie Jungjohann, une scientifique en imagerie nanométrique de Sandia au Center for Integrated Nanotechnologies. Le centre est une installation utilisatrice exploitée conjointement par Sandia et les laboratoires nationaux de Los Alamos.
Elle et ses collaborateurs ont utilisé un microscope équipé d’un laser pour découper le boîtier extérieur d’une pile bouton. Ils l’ont associé à un porte-échantillon qui maintient l’électrolyte liquide de la pile congelé à des températures comprises entre -100 et -120 degrés Celsius. Le laser crée une ouverture juste assez grande pour qu’un faisceau d’électrons étroit puisse entrer et rebondir sur un détecteur, fournissant une image haute résolution de la section transversale interne de la pile avec suffisamment de détails pour distinguer les différents matériaux.
L’instrument de démonstration original, qui était le seul outil de ce type aux États-Unis à l’époque, a été construit et est toujours utilisé dans un laboratoire de Thermo Fisher Scientific en Oregon. Une deuxième version mise à jour se trouve maintenant à Sandia. L’outil sera utilisé de manière large à Sandia pour résoudre de nombreux problèmes de matériaux et d’analyse des défaillances.
“C’est ce que les chercheurs en batteries ont toujours voulu voir”, a déclaré Jungjohann.
En conclusion, ces nouvelles découvertes sur les batteries au lithium-métal ouvrent de nouvelles perspectives pour améliorer leur fiabilité et leur sécurité. En comprenant les mécanismes de défaillance, les chercheurs pourront développer des matériaux de séparation et des méthodes de recharge adaptés au lithium-métal, ce qui pourrait accélérer la commercialisation des batteries haute performance pour les véhicules électriques et d’autres applications.
Sources :
– ACS Energy Letters: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.1c00509
– Sandia National Laboratories: https://www.sandia.gov/
– Thermo Fisher Scientific: https://www.thermofisher.com/
– University of Oregon: https://www.uoregon.edu/
– Lawrence Berkeley National Laboratory: https://www.lbl.gov/
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