Quoi de neuf pour Watt ? Une étude d'Oxford pourrait débloquer des batteries «révolutionnaires» pour les véhicules électriques et l'aviation.

Des chercheurs ont utilisé des techniques d'imagerie avancées pour comprendre les causes de défaillance des batteries solides en métal de lithium (Li-SSBs), selon une étude publiée dans la revue Nature. Contrairement aux batteries conventionnelles, les Li-SSBs remplacent l'électrolyte liquide inflammable par un solide et utilisent du métal de lithium comme anode. Cela permet une meilleure sécurité et un stockage d'énergie plus important, révolutionnant potentiellement les secteurs des véhicules électriques (VE) et de l'aviation.

Des chercheurs de l'Université d'Oxford ont découvert comment les batteries solides en métal de lithium (Li-SSBs) échouent, ouvrant potentiellement la voie à des améliorations des batteries de VE. L'équipe a identifié que la formation et la croissance de "dendrites" causent des courts-circuits dans les batteries, des connaissances qui pourraient aider à surmonter les obstacles technologiques dans le développement de batteries solides.

Des batteries de VE nettement améliorées pourraient être à portée de main grâce à une nouvelle étude dirigée par des chercheurs de l'Université d'Oxford, publiée le 7 juin dans la revue Nature. L'utilisation de techniques d'imagerie avancées a révélé les mécanismes qui causent les défaillances des batteries solides en métal de lithium (Li-SSBs). Si ces limites peuvent être surmontées, les batteries solides utilisant des anodes en métal de lithium pourraient offrir une amélioration significative de la portée, de la sécurité et des performances des batteries de VE, ainsi qu'aider à faire avancer l'aviation électrique.

Dominic Melvin, l'un des co-auteurs de l'étude et doctorant au département des matériaux de l'Université d'Oxford, a déclaré: "Faire progresser les batteries solides avec des anodes en métal de lithium est l'un des défis les plus importants dans l'avancement des technologies de batteries. Bien que les batteries lithium-ion d'aujourd'hui continueront à s'améliorer, la recherche sur les batteries solides a le potentiel d'être une technologie à haut risque et qui change la donne."

Les Li-SSBs se distinguent des autres batteries car ils remplacent l'électrolyte liquide inflammable des batteries conventionnelles par un électrolyte solide et utilisent du métal de lithium comme anode (électrode négative). L'utilisation de l'électrolyte solide améliore la sécurité et l'utilisation du métal de lithium signifie qu'il est possible de stocker plus d'énergie. Un défi important avec les Li-SSBs est cependant qu'ils sont susceptibles de court-circuiter lors de leur charge en raison de la croissance de "dendrites": des filaments de métal de lithium qui se fissurent à travers l'électrolyte céramique. Dans le cadre du projet SOLBAT de la Faraday Institution, des chercheurs des départements de matériaux, de chimie et de sciences de l'ingénieur de l'Université d'Oxford ont mené une série d'investigations approfondies pour en savoir plus sur la façon dont survient ce court-circuit.

Dans cette dernière étude, le groupe a utilisé une technique d'imagerie avancée appelée tomographie assistée par rayons X à la Diamond Light Source pour visualiser les défaillances des dendrites avec un niveau de détail inédit pendant le processus de charge. Nouvelle étude d'imagerie qui a révélé que l'initiation et la propagation des fissures des dendrites sont des processus distincts, entraînés par des mécanismes sous-jacents distincts. Les fissures des dendrites s'initient lorsque le lithium s'accumule dans les pores sous-surface. Lorsque les pores deviennent pleins, une nouvelle charge de la batterie augmente la pression, entraînant des fissures. En revanche, la propagation se produit lorsque le lithium remplit partiellement la fissure, à travers un mécanisme d'ouverture qui pousse la fissure de l'arrière.

Cette nouvelle compréhension indique la voie à suivre pour surmonter les défis technologiques des Li-SSBs. Dominic Melvin a déclaré: "Par exemple, bien que la pression sur l'anode en lithium puisse être bonne pour éviter que des lacunes se développent à l'interface avec l'électrolyte solide en décharge, nos résultats démontrent que trop de pression peut être préjudiciable, rendant plus probable la propagation des dendrites et les courts-circuits en charge."

Sir Peter Bruce, Wolfson Chair, Professeur de matériaux à l'Université d'Oxford, scientifique en chef de la Faraday Institution et auteur correspondant de l'étude, a déclaré: "Le processus selon lequel un métal mou comme le lithium peut pénétrer un électrolyte céramique dense et dur s'est avéré difficile à comprendre, avec de nombreuses contributions importantes de scientifiques excellents du monde entier. Nous espérons que les connaissances supplémentaires que nous avons acquises aideront le progrès de la recherche sur les batteries solides vers un appareil pratique."

Selon un rapport récent de la Faraday Institution, les Li-SSBs pourraient satisfaire 50% de la demande mondiale de batteries dans l'électronique grand public, 30% dans les transports et plus de 10% dans l'aviation d'ici 2040.

Professor Pam Thomas, CEO, Faraday Institution, said: “SOLBAT researchers continue to develop a mechanistic understanding of solid-state battery failure – one hurdle that needs to be overcome before high-power batteries with commercially relevant performance could be realized for automotive applications. The project is informing strategies that cell manufacturers might use to avoid cell failure for this technology. This application-inspired research is a prime example of the type of scientific advances that the Faraday Institution was set up to drive.”