Nouvelle solution pour prévenir les dendrites pour des batteries de véhicules électriques plus sûres

Les chercheurs essaient toujours de construire la batterie optimale pour les véhicules électriques (VE) qui peut fournir un stockage d’énergie durable et peu coûteux sans risque supplémentaire de prendre feu en raison de la dégradation des matériaux.

Une équipe de l’Université Columbia a mis au point une solution potentielle pour améliorer les batteries lithium-métal pour les véhicules électriques, qui ont déjà des propriétés souhaitables pour cet usage telles qu’une densité énergétique élevée et une longue durée de vie.

Les chercheurs de Columbia Engineering ont utilisé une combinaison de microscopie, de résonance magnétique nucléaire (RMN) – similaire à une IRM – et de modélisation informatique pour découvrir que l’ajout de petites quantités de sel de potassium à un électrolyte de batterie au lithium conventionnel produit une chimie unique à l’interface du lithium et électrolyte.

L’équipe a utilisé additifs de métaux alcalins, tels que les ions potassium, dans les batteries lithium-métal pour empêcher une accumulation excessive de lithium pendant l’utilisation de la batterie. Cette solution peut aider à diminuer la croissance de structures en forme d’aiguilles sur les dendrites dans l’anode de la batterie, ce qui peut entraîner des courts-circuits dangereux, des incendies ou même des explosions.

« Plus précisément, nous avons constaté que les ions potassium atténuent la formation de composés chimiques indésirables qui se déposent à la surface du lithium métal et empêchent le transport des ions lithium pendant la charge et la décharge de la batterie, limitant finalement la croissance microstructurale », a déclaré la chef d’équipe Lauren Marbella, professeure adjointe. de génie chimique à l’université.

Nouvelle approche

L’équipe de Columbia n’est pas la première à tenter de décourager la croissance des dendrites dans les batteries lithium-métal. D’autres chercheurs ont adopté des approches différentes et variées du problème.

Une équipe de l’UC San Diego, par exemple, a observé au fil du temps comment les dendrites peuvent pousser si longtemps qu’elles percent le séparateur entre l’anode et la cathode créent un pont entre les deux, ce qui provoque le court-circuit. Pour résoudre le problème, les chercheurs ont développé un séparateur qui peut essentiellement atténuer le coup lorsqu’une dendrite le perce.

D’autres chercheurs ont étudié la croissance et l’évolution de ces dendrites dans les batteries pour aborder la résolution du problème de cette manière.

L’équipe de Marbella a adopté une approche davantage basée sur la science des matériaux, découvrant que les additifs de métaux alcalins suppriment la croissance de composés non conducteurs à la surface du lithium métallique d’une manière différente de la manipulation électrolytique traditionnelle qui se concentre sur le dépôt de polymères conducteurs sur la surface du métal.

En effet, l’approche de l’équipe Columbia représente l’une des premières caractérisations approfondies de la chimie de surface du lithium métal par RMN, et démontre la puissance de cette technique pour concevoir de nouveaux électrolytes pour le lithium métal.

« Les électrolytes commerciaux sont un cocktail de molécules soigneusement sélectionnées », a-t-elle observé dans un communiqué de presse. « En utilisant la RMN et des simulations informatiques, nous pouvons enfin comprendre comment ces formulations d’électrolytes uniques améliorent les performances des batteries au lithium métal au niveau moléculaire. Cette idée donne finalement aux chercheurs les outils dont ils ont besoin pour optimiser la conception des électrolytes et permettre des batteries au lithium métal stables. »

Améliorations futures

L’équipe de Marbella a collaboré avec des ingénieurs en mécanique de l’Université Carnegie Mellon, qui ont effectué des calculs de théorie fonctionnelle de la densité (DFT) pour compléter ses travaux.

Les chercheurs ont publié un article sur leurs travaux dans la revue Rapports de cellule Sciences physiques.

La recherche peut aider à jeter les bases d’une optimisation future de la conception de l’électrolyte pour des batteries au lithium métal plus stables, permettant un stockage d’énergie léger, économique et durable pour les véhicules électriques, les maisons et d’autres applications.

L’équipe prévoit de poursuivre ses travaux et teste actuellement des additifs de métaux alcalins qui arrêtent la formation de couches superficielles délétères, en les combinant avec des additifs plus traditionnels qui favorisent la croissance de couches conductrices sur le lithium métal. Ils utilisent également activement la RMN pour mesurer directement le taux de transport du lithium à travers cette couche.