Avocation en plus de stockage d’énergie au lithium plus sûr
par Erica Marchand
Paris, France (SPX) 04 février 2025
La cost de nos téléphones est devenue si routine que nous réfléchissons rarement à la percée qui a rendu la cela attainable. Les batteries lithium-ion rechargeables, introduites commercialement dans les années 1990, ont propulsé une révolution technologique qui a valu à leurs créateurs le prix Nobel de chimie 2019. Cette innovation clé sous-tend les fonctionnalités des smartphones d’aujourd’hui, des écouteurs sans fil et des véhicules électriques, ce qui les rend à la fois financièrement et environnementaux.
À mesure que nos appareils deviennent plus avancés, la demande de batteries qui cachent plus d’énergie tout en restant en sécurité proceed d’augmenter. Pourtant, l’ingénierie de telles sources d’alimentation est loin d’être easy. Une conception prometteuse est la batterie en métal lithium, qui pourrait fournir plus d’énergie stockée que les varieties de batteries customary. Malheureusement, son potentiel est réduit par un problème persistant: l’émergence de petits fils, ou dendrites, qui s’accumulent à chaque cost. Lorsque les dendrites s’accumulent, ils peuvent former des connexions métalliques qui dégradent la fonctionnalité de la batterie et poser un risque d’incendie grave. Jusqu’à récemment, les chercheurs avaient des approches limitées pour sonder et comprendre la formation de dendrite. Dans une nouvelle étude dirigée par le Dr Ayan Maity dans le laboratoire du professeur Michal Leskes au Département de la science de la chimie moléculaire et des matériaux de l’Institut des sciences du Weizmann, les scientifiques ont développé une nouvelle méthode pour identifier les facteurs qui déclenchent la croissance de la dendrite, ainsi que pour rapidement Évaluez divers composants de la batterie pour améliorer la sécurité et les performances.
Les batteries rechargeables fonctionnent en permettant aux ions chargés positivement de migrer entre l’anode (électrode négative) et la cathode (électrode optimistic) à travers un électrolyte. La cost drive les ions dans l’anode, contraire au flux habituel dans une réaction chimique typique, préparant ainsi la batterie à un autre cycle d’utilisation. Les batteries en métal lithium adoptent une approche différente en utilisant une anode en métal de lithium pur, permettant un stockage d’énergie plus élevé. Cependant, le lithium métal est chimiquement réactif et forme rapidement des dendrites lorsqu’il interagit avec l’électrolyte. Au fil du temps, suffisamment de dendrites peuvent court-circuiter la batterie et augmenter la probabilité de combustion.
Une façon d’éviter les risques d’incendie consiste à remplacer l’électrolyte liquide volatil par un électrolyte solide et non flammable, comprenant souvent un composite polymère-céramique. Bien que la modification du rapport du polymère à la céramique peut influencer la croissance de la dendrite, trouver la formulation idéale reste un défi pour prolonger la durée de vie de la batterie.
Pour étudier, l’équipe a utilisé la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN), un outil customary pour identifier les constructions chimiques et a suivi la formation de dendrite et l’interplay chimique dans l’électrolyte. « Lorsque nous avons examiné les dendrites dans les batteries avec des rapports différents de polymère et de céramique, nous avons trouvé une sorte de` `rapport doré »: les électrolytes composés de 40% de céramique avaient la vie la plus longue », explique Leskes. « Lorsque nous avons dépassé 40% de céramique, nous avons rencontré des problèmes structurels et fonctionnels qui entravaient les performances de la batterie, tandis que moins de 40% ont conduit à une durée de vie de la batterie réduite. » Curieusement, les batteries avec ce rapport optimum ont montré plus de dendrites dans l’ensemble, mais ces dendrites étaient effectivement confinées d’une manière qui a empêché le pontage destructeur.
Ces idées ont suscité une query plus giant: ce qui arrête l’extension des dendrites? L’équipe a émis l’hypothèse qu’une tremendous revêtement à la floor des dendrites, appelée interphase d’électrolyte solide (SEI), pourrait être cruciale. Cette couche, formée lorsque les dendrites interagissent avec l’électrolyte, peuvent affecter la façon dont les ions lithiums traversent la batterie, et il peut également empêcher ou accélérer le mouvement de substances nocives entre les électrodes. Ces deux facteurs, à leur tour, peuvent étouffer ou favoriser davantage de développement de la dendrite.
Il est intrinsèquement difficile de sonder la composition chimique de ces movies SEI minces, automotive ils ne mesurent que quelques dizaines de nanomètres d’épaisseur. Les chercheurs ont abordé ce problème en améliorant les signaux de leurs données RMN en utilisant une polarisation nucléaire dynamique. Cette method spécialisée exploite le fort spin d’électrons de lithium polarisés, renforçant les signaux des noyaux atomiques dans le SEI et exposant sa composition chimique. Grâce à cette lentille raffinée, les chercheurs ont découvert précisément remark le lithium métallique interagit avec les matériaux en polymère ou en céramique, révélant que certaines couches SEI peuvent améliorer simultanément le transport d’ions et bloquer les substances dangereuses.
Leurs résultats ouvrent la voie à concevoir des batteries plus robustes, plus sûres et plus puissantes qui stockeront une plus grande énergie pour une durée plus longue avec des coûts environnementaux et économiques réduits. Ces batteries de nouvelle génération pourraient alimenter des appareils plus grands sans avoir à augmenter la taille physique de la batterie elle-même, tout en étendant le cycle de vie de la batterie.
« L’une des choses que j’aime le plus dans cette étude, c’est que, sans une profonde compréhension scientifique de la physique fondamentale, nous n’aurions pas pu comprendre ce qui se passe à l’intérieur d’une batterie. Notre processus était très typique de l’œuvre ici à l’Institut Weizmann .
Rapport de recherche:Suivi des dendrites et formation d’interphases électrolytes solides avec spectroscopie dynamique de RMN de polarisation nucléaire
Liens connexes
Institut des sciences de Weizmann
Alimenter le monde au 21e siècle à Power-daily.com
