Des chercheurs de Harvard développent une batterie inspirée du chocolat qui peut être chargée et déchargée au moins 6 000 fois

Des chercheurs de Harvard développent une batterie inspirée du chocolat qui peut être chargée et déchargée au moins 6 000 fois


Des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont développé une nouvelle batterie au lithium métal qui peut être chargée et déchargée au moins 6 000 fois, soit plus que toute autre batterie de poche, et peut être rechargée en quelques secondes. minutes.

Batterie à semi-conducteurs qui se charge en quelques minutes et dure des milliers de cycles

Des chercheurs de la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) de l'Université Harvard ont développé une nouvelle batterie au lithium métal qui peut être chargée et déchargée au moins 6 000 fois - plus que toute autre cellule de poche - et rechargée en quelques minutes.

La recherche décrit non seulement une nouvelle façon de fabriquer des batteries à semi-conducteurs avec une anode au lithium métallique, mais offre également de nouvelles informations sur les matériaux utilisés pour ces batteries potentiellement révolutionnaires.

Les batteries avec anodes au lithium métal sont considérées comme le Saint Graal des batteries car elles ont une capacité dix fois supérieure aux anodes en graphite commerciales et pourraient augmenter considérablement la distance de conduite des véhicules électriques. Nos recherches constituent une étape importante vers des batteries à semi-conducteurs plus pratiques pour les applications industrielles et commerciales.

Xin Li, professeur agrégé de science des matériaux à SEAS et auteur principal des travaux.

L’un des plus grands défis lors de la conception de ces batteries est la formation de dendrites à la surface de l’anode. Ces structures poussent comme des racines dans l’électrolyte et percent la barrière qui sépare l’anode de la cathode, provoquant un court-circuit dans la batterie, voire un incendie.

Ces dendrites se forment lorsque les ions lithium se déplacent de la cathode à l'anode pendant la charge, adhérant à la surface de l'anode lors d'un processus appelé placage. Le revêtement anodique crée une surface irrégulière et inhomogène, comme la plaque dentaire, et permet aux dendrites de s’enraciner. Lors de la décharge, ce revêtement en forme de plaque doit être retiré de l'anode, et lorsque le placage est irrégulier, le processus de retrait peut être lent et entraîner des bosses qui induisent un placage encore plus irrégulier lors de la charge suivante.

En 2021, Li et son équipe ont proposé un moyen de traiter les dendrites en concevant une batterie multicouche prenant en sandwich différents matériaux de stabilité variable entre l'anode et la cathode. Cette conception multicouche et multi-matériaux a empêché la pénétration des dendrites de lithium, non pas en les arrêtant complètement, mais en les contrôlant et en les contenant.

Dans cette nouvelle recherche, Li et son équipe empêcher la formation de dendrites en utilisant des particules de silicium de taille micrométrique dans l'anode pour contraindre la réaction de lithiation et faciliter le revêtement homogène d'une couche épaisse de lithium métallique.

Dans cette conception, lorsque les ions lithium se déplacent de la cathode à l'anode pendant la charge, la réaction de lithiation est limitée à la surface peu profonde et les ions adhèrent à la surface de la particule de silicium mais ne pénètrent pas au-delà. Cela diffère sensiblement de la chimie des batteries lithium-ion liquides, dans lesquelles les ions lithium pénètrent par une réaction de lithiation profonde et détruisent finalement les particules de silicium dans l'anode.

Mais, dans une batterie à semi-conducteurs, les ions à la surface du silicium se contractent et subissent le processus dynamique de lithiation pour former une couche de lithium métallique autour du noyau de silicium.

Dans notre conception, le lithium métallique est enroulé autour de la particule de silicium, comme une coque de chocolat dur autour d'un noyau de noisette dans une truffe au chocolat.

Xin Li

Ces particules enrobées créent une surface homogène sur laquelle la densité de courant est uniformément répartie, empêchant ainsi la croissance des dendrites. Et comme le revêtement et la séparation peuvent se produire rapidement sur une surface uniforme, la batterie peut être rechargée en seulement 10 minutes environ.

Les chercheurs ont construit une version de la batterie de la taille d’un timbre-poste, 10 à 20 fois plus grande que la pile bouton fabriquée dans la plupart des laboratoires universitaires. La batterie a conservé 80 % de sa capacité après 6 000 cycles, surpassant ainsi les autres piles bouton actuellement disponibles sur le marché.

L'Office of Technology Development de Harvard a accordé une licence pour la technologie à Adden Energy, une spin-off de Harvard cofondée par Li et trois anciens élèves de Harvard. La société a étendu la technologie pour fabriquer une pile bouton de la taille d’un smartphone.

Li et son équipe ont également caractérisé les propriétés qui permettent au silicium de limiter la diffusion du lithium afin de faciliter le processus dynamique favorisant le revêtement homogène d'un lithium épais. Ils ont ensuite défini un descripteur de propriété unique pour décrire ce processus et l'ont calculé pour tous les matériaux inorganiques connus. Ce faisant, l’équipe a découvert des dizaines d’autres matériaux susceptibles d’offrir des performances similaires.

Des recherches antérieures avaient montré que d’autres matériaux, notamment l’argent, pouvaient servir de bons matériaux d’anode pour les batteries à semi-conducteurs. Notre recherche explique un mécanisme sous-jacent possible du processus et ouvre la voie à l’identification de nouveaux matériaux pour la conception de batteries.

Xin Li

Via seas.harvard.edu

Si vous avez aimé cet article, partagez-le avec vos amis sur les réseaux sociaux. Merci!

Le plus lu :

Go up