La batterie au lithium métal Harvard peut convenir aux applications industrielles et commerciales

Lee a souligné que 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 ressemblant à des racines se développent dans l’électrolyte et pénètrent dans la barrière séparant l’anode et la cathode, provoquant un court-circuit ou même un incendie de la batterie.

Ces 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. Le placage sur l’anode crée une surface inégale et hétérogène et permet aux dendrites de s’enraciner. Lorsqu'il est aspiré, ce revêtement en forme de plaque doit être retiré de l'anode, et lorsque le revêtement est inégal, le processus de décapage peut être lent et entraîner des rainures qui conduisent à des revêtements plus inégaux lors de la charge suivante.

En 2021, Li et son équipe ont présenté une façon de traiter les dendrites en concevant une batterie multicouche incorporant différents matériaux avec des stabilités variables entre l'anode et la cathode. Cette conception multicouche et multi-matériaux a empêché les dendrites de lithium de pénétrer, non pas en les arrêtant complètement, mais en les contrôlant et en les contenant.

Le silicone fait la différence

Dans cette nouvelle recherche, le groupe empêche la formation de dendrites en utilisant des particules de silicium de la taille d’un micron dans l’anode pour réduire la réactivité du lithium et faciliter le revêtement homogène d’une épaisse couche de lithium métallique.

Dans cette conception, lorsque les ions lithium se déplacent de la cathode à l'anode pendant la charge, la réaction du lithium sur la surface peu profonde est réduite et les ions collent à la surface de la particule de silicium mais ne pénètrent pas davantage. Ceci est très différent de la chimie des batteries lithium-ion liquides dans lesquelles les ions lithium pénètrent par une réaction profonde au lithium et détruisent finalement les molécules de silicium dans l'anode.

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

« Dans notre conception, le lithium métallique est enroulé autour d'une molécule de silicium, comme une coque de chocolat solide autour du noyau de noisette d'une truffe au chocolat », a déclaré Lee.

Ces particules enrobées créent une surface homogène sur laquelle la densité de courant est uniformément répartie, empêchant ainsi la croissance des dendrites. Comme la peinture et le décapage peuvent être rapides sur une surface plane, la batterie peut être rechargée en seulement 10 minutes.

Les chercheurs ont construit une version de la batterie de la taille d’un timbre-poste, qui est 10 à 20 fois plus grande qu’une cellule métallique fabriquée dans la plupart des laboratoires universitaires. La batterie a conservé 80 % de sa capacité après 6 000 cycles, surpassant ainsi les autres batteries cellulaires actuellement disponibles sur le marché. La technologie a été concédée sous licence par le biais du Harvard Office of Technology Development à Adden Energy, une spin-off de Harvard cofondée par moi-même et trois diplômés de Harvard. L’entreprise a fait évoluer la technologie pour construire une batterie cellulaire de la taille d’une valise intelligente.

Lee et son équipe ont également décrit des propriétés qui permettent au silicium de réduire la diffusion du lithium afin de faciliter un processus dynamique favorisant un revêtement homogène de lithium épais. Ils ont ensuite défini un descripteur de propriété unique pour décrire un tel processus et l'ont pris en compte pour tous les matériaux inorganiques connus. Ce faisant, l’équipe a découvert des dizaines d’autres substances susceptibles de produire des performances similaires.

« Des recherches antérieures ont montré que d'autres matériaux, notamment l'argent, peuvent servir de bons matériaux d'anode pour les batteries à semi-conducteurs », a déclaré Li. « Notre recherche explique un mécanisme fondamental possible du processus et ouvre la voie à l'identification de nouveaux matériaux pour la conception de batteries. »