Des chercheurs de Harvard développent une nouvelle batterie au lithium métal qui peut être chargée et déchargée au moins 6 000 fois et rechargée en quelques minutes

Des chercheurs de Harvard développent une nouvelle batterie au lithium métal qui peut être chargée et déchargée au moins 6 000 fois et rechargée en quelques minutes


La conception de la batterie à semi-conducteurs se charge en quelques minutes et dure des milliers de cycles. La recherche ouvre la voie à de meilleures batteries au lithium métal.

Le développement de technologies de batteries de nouvelle génération est crucial pour que le monde puisse atteindre ses objectifs de consommation nette zéro. Avec cette idée en tête, Des chercheurs de la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences de Harvard ont développé une nouvelle batterie au lithium métal qui peut être chargée et déchargée au moins 6 000 fois., plus que toute autre pile de sacs. De plus, la batterie peut être rechargée en quelques minutes, ouvrant ainsi la porte à des capacités de charge rapide.

Cette bande-annonce présente un nouvelle méthode pour créer des batteries à semi-conducteurs avec une anode au lithium métallique et révèle de nouvelles informations sur les matériaux utilisés pour ces batteries potentiellement transformatrices. Cette avancée pourrait conduire à l’adoption plus large de formes d’énergie plus durables à l’avenir.

Travail en équipe ouvre la voie au développement de batteries à semi-conducteurs, qui sont des candidats prometteurs pour la prochaine génération de dispositifs de stockage d'énergie. L’un des plus grands défis lors de la conception de ces batteries concerne les dendrites qui se forment à la surface de l’anode. Ces structures poussent comme des racines dans l’électrolyte et brisent la barrière entre l’anode et la cathode, provoquant un court-circuit dans la batterie, voire un incendie.

Les dendrites se forment lorsque les ions lithium se déplacent de la cathode à l'anode pendant la charge et adhèrent à la surface de l'anode lors d'un processus appelé placage. Cela crée une surface irrégulière et non homogène et permet aux dendrites de s’enraciner. Lorsque la batterie se décharge, il est nécessaire de retirer la couche de revêtement anodique. Mais lorsque le revêtement est irrégulier, le processus d’élimination peut être lent et irrégulier, entraînant davantage d’irrégularités de surface et une plus grande croissance de dendrites.

Les batteries à anode métallique au lithium 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.

En 2021, Li et son équipe ont proposé une solution pour lutter contre les dendrites en créant un batterie multicouche qui incorporait différents matériaux à stabilités variables entre l'anode et la cathode. Cette conception a permis une pénétration contrôlée et confinée des dendrites de lithium.

Dans leurs recherches récentes, Li et son équipe ont utilisé des particules de silicium de taille micrométrique dans l’anode pour empêcher la formation de dendrites, limitant ainsi la réaction de lithiation et favorisant le revêtement uniforme d’une épaisse couche de lithium métallique.

Dans cette conception particulière, 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.

Contrairement aux batteries lithium-ion liquides, dans lesquelles les ions lithium pénètrent profondément dans le silicium et l'endommagent, dans une batterie à semi-conducteurs, les ions lithium n'adhèrent qu'à la surface des particules de silicium. Les ions à la surface du silicium se contractent et subissent un processus de lithiation dynamique pour former un revêtement métallique de lithium autour du noyau de silicium.

Ces particules enrobées créent une surface homogène, qui aide à répartir uniformément la densité de courant et empêche la croissance des dendrites. Cela permet à la batterie d'être rechargée en seulement 10 minutes environ, car le placage et le retrait peuvent s'effectuer rapidement sur une surface homogène.

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

L'Office of Technology Development de Harvard a autorisé l'utilisation de la technologie à Ajouter de l'énergie, une société dérivée de Harvard fondée par Li et trois anciens élèves de Harvard. La société a étendu la technologie pour fabriquer une batterie de poche de la taille d’un smartphone.

L’équipe a également caractérisé les propriétés qui permettent au silicium de limiter la diffusion du lithium, permettant ainsi un processus dynamique pour un revêtement uniforme du lithium. Ils ont également pu définir un descripteur de propriété unique pour identifier les matériaux susceptibles d'offrir des performances similaires et ont trouvé des dizaines d'autres candidats potentiels.

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 harvard.edu

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