Pendant des décennies, les scientifiques ont essayé de fabriquer des batteries lithium-métal fiables. Ces cellules de stockage hautes performances contiennent 50 % d'énergie en plus que leurs cousines prolifiques au lithium-ion, mais des taux de défaillance plus élevés et des problèmes de sécurité comme les incendies et les explosions ont paralysé les efforts de commercialisation. Les chercheurs ont émis l'hypothèse pourquoi les appareils échouent, mais les preuves directes ont été rares.
Aujourd'hui, les premières images à l'échelle nanométrique jamais prises à l'intérieur de piles bouton lithium-métal intactes (également appelées piles boutons ou piles de montre) remettent en question les théories dominantes et pourraient contribuer à rendre les futures batteries hautes performances, comme celles des véhicules électriques, plus sûres, plus puissantes et plus longues durable.
"Nous apprenons que nous devrions utiliser des matériaux de séparation adaptés au lithium métal", a déclaré Katie Harrison, scientifique en charge des batteries, qui dirige l'équipe de Sandia National Laboratories pour l'amélioration des performances des batteries lithium-métal.
Le sous-produit interne s'accumule, tue les batteries
L'équipe a chargé et déchargé à plusieurs reprises des piles boutons au lithium avec le même courant électrique à haute intensité que les véhicules électriques doivent charger. Certaines cellules ont traversé quelques cycles, tandis que d'autres ont traversé plus d'une centaine de cycles. Ensuite, les cellules ont été expédiées à Thermo Fisher Scientific à Hillsboro, Oregon, pour analyse.
Lorsque l'équipe a examiné les images de l'intérieur des batteries, elle s'est attendue à trouver des dépôts de lithium en forme d'aiguilles couvrant la batterie. La plupart des chercheurs sur les batteries pensent qu'une pointe de lithium se forme après un cycle répétitif et qu'elle traverse un séparateur en plastique entre l'anode et la cathode, formant un pont qui provoque un court-circuit. Mais le lithium est un métal mou, les scientifiques n'ont donc pas compris comment il pouvait passer à travers le séparateur.
L'équipe de Harrison a trouvé un deuxième coupable surprenant : une accumulation dure formée comme sous-produit des réactions chimiques internes de la batterie. Chaque fois que la batterie se rechargeait, le sous-produit, appelé interphase d'électrolyte solide, augmentait. Coiffant le lithium, il a percé des trous dans le séparateur, créant des ouvertures pour que les dépôts métalliques se répandent et forment un court-circuit. Ensemble, les dépôts de lithium et le sous-produit étaient beaucoup plus destructeurs qu'on ne le croyait auparavant, agissant moins comme une aiguille que comme un chasse-neige.
"Le séparateur est complètement déchiqueté", a déclaré le chercheur, ajoutant que ce mécanisme n'a été observé qu'à des taux de charge rapides nécessaires pour Véhicule électrique technologies, mais pas des taux de charge plus lents.
Alors que les scientifiques de Sandia réfléchissent à la manière de modifier les matériaux de séparation, le chercheur déclare que des recherches supplémentaires seront également nécessaires pour réduire la formation de sous-produits.
Des scientifiques associent des lasers à la cryogénie pour prendre des images « cool »
Déterminer la cause du décès d'une pile bouton est étonnamment difficile. Le problème vient de son boîtier en acier inoxydable. La coque métallique limite ce que les diagnostics, comme les rayons X, peuvent voir de l'extérieur, tandis que le retrait de parties de la cellule pour analyse déchire les couches de la batterie et déforme les preuves qui pourraient se trouver à l'intérieur.
"Nous avons différents outils qui peuvent étudier différents composants d'une batterie, mais vraiment nous n'avons pas eu d'outil qui puisse tout résoudre en une seule image", a déclaré le chercheur.
Le chercheur et ses collaborateurs ont utilisé un microscope doté d'un laser pour fraiser le boîtier externe d'une batterie. Ils l'ont associé à un porte-échantillon qui maintient l'électrolyte liquide de la cellule congelé à des températures comprises entre moins 148 et moins 184 degrés Fahrenheit (moins 100 et moins 120 degrés Celsius, respectivement). Le laser crée une ouverture juste assez grande pour qu'un faisceau d'électrons étroit entre et rebondisse sur un détecteur, fournissant une image haute résolution de la section transversale interne de la batterie avec suffisamment de détails pour distinguer les différents matériaux.
L'instrument de démonstration original, qui était le seul outil de ce type aux États-Unis à l'époque, a été construit et réside toujours dans un laboratoire Thermo Fisher Scientific en Oregon. Un duplicata mis à jour réside maintenant à Sandia. L'outil sera largement utilisé dans Sandia pour aider à résoudre de nombreux problèmes de matériaux et d'analyse de défaillance.
