Les avancées dans la technologie des batteries solides : une promesse pour l’avenir électrifié
Les smartphones, les véhicules électriques et de nombreux appareils électroniques portables dépendent des batteries. À me que la demande pour un meilleur stockage d’énergie augmente, les améliorations en matière de capacité, de durée de vie et de sécurité des batteries joueront un rôle majeur dans l’avenir de l’électrification. Parmi les technologies les plus prometteuses, les batteries solides pourraient permettre aux smartphones de fonctionner pendant plusieurs jours sur une seule charge et offrir aux véhicules électriques des autonomies jusqu’à trois fois supérieures à celles de nombreux modèles actuels.
Contrairement aux batteries lithium-ion conventionnelles, qui utilisent un électrolyte liquide entre deux électrodes solides, les batteries solides remplacent ce liquide par un électrolyte solide. Cette conception présente plusieurs avantages potentiels, notamment une densité d’énergie plus élevée, une sécurité améliorée et une durée de vie prolongée. Cependant, un problème persistant a ralenti leur adoption commerciale. Lors de la charge, de minuscules structures en forme d’arbre, appelées dendrites, peuvent se développer à partir de l’anode en lithium, percer l’électrolyte solide et créer des courts-circuits internes.
Une équipe interdisciplinaire de l’Institut Max Planck pour les matériaux durables (MPI-SusMat) a récemment identifié comment ces dendrites provoquent des fractures conduisant à la défaillance des batteries. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Nature.
Comment les dendrites fracturent les batteries solides
La question de savoir comment les dendrites en lithium, qui sont souples, parviennent à percer un électrolyte céramique dur a longtemps intrigué les chercheurs. Dr. Yuwei Zhang, premier auteur de la publication et responsable du groupe « Chémo-Mécanique des matériaux de batterie » au MPI-SusMat, explique : « Bien que les électrodes et les dendrites en formation soient composées de métal lithium, qui est aussi souple qu’une guimauve, les dendrites réussissent à pénétrer l’électrolyte céramique et à provoquer un court-circuit. » Deux hypothèses sont avancées : soit le stress interne s’accumule à l’intérieur des dendrites, entraînant une fracture mécanique de l’électrolyte solide, soit des électrons s’échappent le long des frontières des grains de l’électrolyte solide, favorisant la formation de noyaux de lithium qui se connectent par la suite.
Pour déterminer laquelle de ces explications était correcte, les chercheurs ont utilisé une combinaison avancée de techniques de préparation d’échantillons et de caractérisation des matériaux, toutes réalisées sous vide et à des températures cryogéniques pour éliminer les interférences.
L’équipe a examiné à la fois le stress interne et la déformation plastique des dendrites de lithium piégées dans des fiss. Leur analyse a révélé qu’il n’y avait pas d’accumulation de lithium devant la pointe de la dendrite, écartant ainsi l’une des hypothèses.
Nouvelles stratégies pour prévenir la défaillance des batteries
Avec une meilleure compréhension de la façon dont les dendrites fracturent les électrolytes solides, l’équipe explore maintenant des moyens d’arrêter ou de retarder ce processus. Parmi les solutions potentielles, on envisage de rendre l’électrolyte solide plus résistant aux fiss, d’introduire des vides microscopiques qui redirigent la croissance des dendrites et éloignent les fiss des zones vulnérables, ou d’ajouter des revêtements protecteurs aux électrodes en lithium pour réduire la formation de dendrites.
Les chercheurs soulignent l’importance de comprendre le comportement des matériaux à un niveau microscopique. Ces connaissances pourraient transformer les batteries solides d’un concept prometteur en une technologie pratique pour les futurs smartphones, véhicules électriques et autres appareils électroniques.
Source : Nature
