Des batteries avec un électrolyte solide à la céramique

Angela Wegrecki, University of Michigan :

A rechargeable battery technology developed at the University of Michigan could double the output of today’s lithium ion cells—drastically extending electric vehicle ranges and time between cell phone charges—without taking up any added space.

By using a ceramic, solid-state electrolyte, engineers can harness the power of lithium metal batteries without the historic issues of poor durability and short-circuiting. The result is a roadmap to what could be the next generation of rechargeable batteries.

Les batteries au lithium-métal possèdent une grande densité énergétique, mais vieillissent mal. Au fil des charges et décharges, le lithium forme des dendrites, qui diminuent progressivement les performances de la batterie et peuvent provoquer des courts-circuits internes. Dans les batteries au lithium-ion, ce problème est tempéré par l’utilisation de couches de graphite à l’anode.

Lors de la recharge, les ions lithium s’intercalent dans le graphite, dont la structure limite l’apparition de dendrites. Pourquoi ne pas appliquer cette solution aux batteries au lithium-métal ? D’abord, parce que le graphite n’empêche pas complètement la formation de dendrites. Surtout, parce qu’il limite directement les performances de la batterie.

La formation de dendrites filmée en temps réel par des chercheurs de l’université du Michigan.

Six atomes de carbone étant nécessaires à la « capture » d’un ion lithium, la capacité du graphite ne peut dépasser 372 mAh/g. La conception de nouveaux matériaux afin d’augmenter la capacité et la stabilité de l’anode est l’un des enjeux de la recherche. De nombreux chercheurs, dont ceux de l’université de Rice, étudient les nanotubes de graphène, dont la capacité dépasse 1 000 mAh/g.

Les chercheurs de l’université du Michigan, spécialistes de la formation des dendrites, préfèrent travailler sur la composition de l’électrolyte. Leur électrolyte solide comporte une couche de céramique, traitée mécaniquement et chimiquement pour fournir une surface parfaitement plane sur laquelle le lithium se dépose régulièrement, sans former de dendrites ni de filaments.

« With the material performance verified, the research group has begun producing thin solid electrolyte layers required to meet solid state capacity targets », conclut l’article. La batterie est stable et se charge rapidement, mais n’atteint pas encore les performances attendues. Les électrolytes solides, qui promettent de décupler la capacité des batteries au lithium, sont notamment attendus par l’industrie automobile.