Des îlots de lithium inactif rampent comme des vers pour se reconnecter à leurs électrodes, restaurant ainsi la capacité et la durée de vie d’une batterie.
Des chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l’énergie et de l’université de Stanford pensent avoir découvert un moyen de raviver les batteries rechargeables au lithium, ce qui pourrait augmenter l’autonomie des voitures électriques et la durée de vie des batteries des appareils électroniques de la prochaine génération.
Lors du cycle des batteries au lithium, de petits îlots de lithium inactif se forment entre les électrodes, ce qui réduit la capacité de la batterie à conserver sa charge. Cependant, les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient faire en sorte que ce lithium “mort” rampe comme un ver vers l’une des électrodes jusqu’à ce qu’il se reconnecte, inversant ainsi partiellement le processus indésirable.
L’ajout de cette étape supplémentaire a ralenti la dégradation de leur batterie de test et a augmenté sa durée de vie de près de 30%.
“Nous explorons maintenant le potentiel de récupération de la capacité perdue dans les batteries au lithium-ion en utilisant une étape de décharge extrêmement rapide”, a déclaré Fang Liu, chercheur postdoctoral à Stanford, auteur principal d’une étude publiée le 22 décembre dans la revue Nature.
Une animation montre comment la charge et la décharge d’une cellule de test d’une batterie au lithium provoque le déplacement d’un îlot de lithium métallique “mort” ou détaché entre les électrodes. Le mouvement de va-et-vient des ions lithium dans l’électrolyte crée des zones de charge négative (bleu) et positive (rouge) aux extrémités de l’îlot, qui changent de place lorsque la batterie se charge et se décharge. Le lithium métallique s’accumule à l’extrémité négative de l’îlot et se dissout à l’extrémité positive ; cette croissance et cette dissolution continues provoquent le mouvement de va-et-vient que l’on voit ici. Les chercheurs du SLAC et de Stanford ont découvert que l’ajout d’une brève étape de décharge à fort courant juste après la charge de la batterie incite l’îlot à se développer en direction de l’anode, ou électrode négative. La reconnexion avec l’anode ramène le lithium mort de l’îlot à la vie et augmente la durée de vie de la batterie de près de 30 %. Crédit : Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory.
Connexion perdue
De nombreuses recherches visent à trouver des moyens de fabriquer des batteries rechargeables plus légères, plus durables, plus sûres et plus rapides à recharger que la technologie lithium-ion actuellement utilisée dans les téléphones cellulaires, les ordinateurs portables et les véhicules électriques. Une attention particulière est accordée au développement de batteries lithium-métal, qui pourraient stocker plus d’énergie par volume ou par poids. Par exemple, dans les voitures électriques, ces batteries de nouvelle génération pourraient augmenter le kilométrage par charge et éventuellement occuper moins d’espace dans le coffre.
Les deux types de batteries utilisent des ions de lithium chargés positivement qui font la navette entre les électrodes. Avec le temps, une partie du lithium métallique devient électrochimiquement inactif, formant des îlots isolés de lithium qui ne sont plus reliés aux électrodes. Cela entraîne une perte de capacité et constitue un problème particulier pour la technologie lithium-métal et pour la charge rapide des batteries lithium-ion.
Cependant, dans la nouvelle étude, les chercheurs ont démontré qu’ils pouvaient mobiliser et récupérer le lithium isolé pour prolonger la durée de vie des batteries.
“J’ai toujours pensé que le lithium isolé était mauvais, car il provoque la dégradation des batteries et peut même prendre feu”, a déclaré Yi Cui, professeur à Stanford et au SLAC et chercheur au Stanford Institute for Materials and Energy Research (SIMES) qui a dirigé la recherche. “Mais nous avons découvert comment reconnecter électriquement ce lithium ‘mort’ avec l’électrode négative pour le réactiver”.
Rampant, pas mort
L’idée de l’étude est née lorsque Cui a supposé que l’application d’une tension à la cathode et à l’anode d’une batterie pouvait faire en sorte qu’un îlot isolé de lithium se déplace physiquement entre les électrodes – un processus que son équipe a maintenant confirmé par ses expériences.
Les scientifiques ont fabriqué une cellule optique avec une cathode de lithium-nickel-manganèse-oxyde de cobalt (NMC), une anode de lithium et un îlot de lithium isolé entre les deux. Ce dispositif de test leur a permis de suivre en temps réel ce qui se passe à l’intérieur d’une batterie lors de son utilisation.
Ils ont découvert que l’îlot de lithium isolé n’était pas du tout “mort” mais réagissait aux opérations de la batterie. Lors de la charge de la cellule, l’îlot se déplaçait lentement vers la cathode ; lors de la décharge, il se déplaçait dans la direction opposée.
“C’est comme un ver très lent qui avance d’un pouce la tête et tire la queue pour se déplacer nanomètre par nanomètre”, a déclaré Cui. “Dans ce cas, il se déplace en se dissolvant sur le sol.à une extrémité et déposer de la matière à l’autre extrémité. Si nous pouvons maintenir le ver de lithium en mouvement, il finira par toucher l’anode et rétablir la connexion électrique.”
Lorsqu’un îlot de lithium métallique inactivé se déplace jusqu’à l’anode, ou électrode négative, d’une batterie et se reconnecte, il revient à la vie, apportant des électrons au flux de courant de la batterie et des ions lithium pour stocker la charge jusqu’à ce qu’elle soit nécessaire. L’îlot se déplace en ajoutant du lithium métallique à une extrémité (bleu) et en le dissolvant à l’autre extrémité (rouge). Les chercheurs du SLAC et de Stanford ont découvert qu’ils pouvaient diriger la croissance de l’îlot en direction de l’anode en ajoutant une brève étape de décharge à fort courant juste après la charge de la batterie. La reconnexion de l’îlot à l’anode a augmenté la durée de vie de leur cellule d’essai lithium-ion de près de 30 %. Crédit : Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Augmenter la durée de vie
Les résultats, que les scientifiques ont validés avec d’autres batteries de test et par des simulations informatiques, montrent également comment le lithium isolé pourrait être récupéré dans une batterie réelle en modifiant le protocole de charge.
“Nous avons constaté que nous pouvons déplacer le lithium détaché vers l’anode pendant la décharge, et ces mouvements sont plus rapides sous des courants plus élevés”, a déclaré Liu. “Nous avons donc ajouté une étape de décharge rapide à fort courant juste après la charge de la batterie, qui a déplacé le lithium isolé suffisamment loin pour le reconnecter avec l’anode. Cela réactive le lithium pour qu’il puisse participer à la vie de la batterie. “
Elle ajoute : “Nos résultats ont également de larges implications pour la conception et le développement de batteries lithium-métal plus robustes.”
Ce travail a été financé par le DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Office of Vehicle Technologies dans le cadre des programmes Battery Materials Research (BMR), Battery 500 Consortium et eXtreme Fast Charge Cell Evaluation of Li-ion batteries (XCEL).
Référence : “Dynamic spatial progression of isolated lithium during battery operations” par Fang Liu, Rong Xu, Yecun Wu, David Thomas Boyle, Ankun Yang, Jinwei Xu, Yangying Zhu, Yusheng Ye, Zhiao Yu, Zewen Zhang, Xin Xiao, Wenxiao Huang, Hansen Wang, Hao Chen et Yi Cui, 22 décembre 2021, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-021-04168-w
