Publié à l'origine par Berkeley Lab
La nouvelle technologie de batterie développée au laboratoire de Berkeley pourrait permettre aux avions électriques à décollage et atterrissage verticaux (eVTOL) de suralimenter les voitures électriques sûres à longue autonomie
À la recherche d'une batterie rechargeable capables d'alimenter des véhicules électriques (VE) sur des centaines de kilomètres avec une seule charge, les scientifiques se sont efforcés de remplacer les anodes en graphite actuellement utilisées dans les batteries des VE par des anodes au lithium métal.
Mais alors que le lithium métal prolonge l'autonomie d'un véhicule électrique de 30 à 50 %, il raccourcit également la durée de vie utile de la batterie en raison des dendrites de lithium, de minuscules défauts en forme d'arbre qui se forment sur l'anode au lithium au cours de nombreux cycles de charge et de décharge. Pire encore, les dendrites court-circuitent les cellules de la batterie si elles entrent en contact avec la cathode.
Pendant des décennies, les chercheurs ont supposé que les électrolytes durs et solides, tels que ceux fabriqués à partir de céramique, fonctionneraient mieux pour empêcher les dendrites de se frayer un chemin à travers la cellule. Mais le problème avec cette approche, beaucoup l'ont trouvé, c'est qu'elle n'a pas empêché les dendrites de se former ou de "nucléer" en premier lieu, comme de minuscules fissures dans un pare-brise de voiture qui ont fini par se propager.
Maintenant, des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du Département de l'énergie, en collaboration avec l'Université Carnegie Mellon, ont rapporté dans la revue Nature Materials une nouvelle classe d'électrolytes mous et solides - fabriqués à partir de polymères et de céramiques - qui suppriment les dendrites dans cette phase de nucléation précoce, avant qu'ils ne puissent se propager et provoquer la défaillance de la batterie.
La technologie est un exemple des collaborations multidisciplinaires de Berkeley Lab dans ses installations d'utilisateurs pour développer de nouvelles idées pour assembler, caractériser et développer des matériaux et des dispositifs pour les batteries à semi-conducteurs.
Les technologies de stockage d'énergie à l'état solide telles que les batteries au lithium métal à l'état solide, qui utilisent une électrode solide et un électrolyte solide, peuvent fournir une densité d'énergie élevée combinée à une excellente sécurité, mais la technologie doit surmonter divers matériaux et défis de traitement.
Notre technologie de suppression des dendrites a des implications passionnantes pour l'industrie des batteries », a déclaré le co-auteur Brett Helms, chercheur à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab. "Avec elle, les fabricants de batteries peuvent produire des batteries au lithium métal plus sûres avec à la fois une densité d'énergie élevée et une longue durée de vie."
Helms a ajouté que les batteries au lithium métal fabriquées avec le nouvel électrolyte pourraient également être utilisées pour alimenter des avions électriques.
La clé de la conception de ces nouveaux électrolytes solides mous était l'utilisation de polymères mous à microporosité intrinsèque, ou PIM, dont les pores étaient remplis de particules céramiques nanométriques. Étant donné que l'électrolyte reste un matériau souple, souple et solide, les fabricants de batteries pourront fabriquer des rouleaux de feuilles de lithium avec l'électrolyte sous forme de stratifié entre l'anode et le séparateur de batterie. Ces sous-ensembles d'électrodes au lithium, ou LESA, sont des substituts attrayants pour l'anode en graphite conventionnelle, permettant aux fabricants de batteries d'utiliser leurs chaînes de montage existantes, a déclaré Helms.
L'équipe Helms a utilisé des rayons X à la source de lumière avancée de Berkeley Lab pour créer des images 3D de l'interface entre le lithium métal et l'électrolyte. (Crédit :Brett Helms/Laboratoire de Berkeley)
Pour démontrer les caractéristiques de suppression des dendrites du nouvel électrolyte composite PIM, l'équipe Helms a utilisé les rayons X de la source de lumière avancée du laboratoire de Berkeley pour créer des images 3D de l'interface entre le lithium métal et l'électrolyte, et pour visualiser le placage et le décapage du lithium jusqu'à à 16 heures à fort courant. Une croissance continue et régulière du lithium a été observée lorsque le nouvel électrolyte composite PIM était présent, tandis qu'en son absence, l'interface montrait des signes révélateurs des premiers stades de la croissance dendritique.
Ces données et d'autres ont confirmé les prédictions d'un nouveau modèle physique pour l'électrodéposition du lithium métallique, qui prend en compte à la fois les caractéristiques chimiques et mécaniques des électrolytes solides.
En 2017, alors que la sagesse conventionnelle était que vous avez besoin d'un électrolyte dur, nous avons proposé qu'un nouveau mécanisme de suppression des dendrites soit possible avec un électrolyte solide mou », a déclaré le co-auteur Venkat Viswanathan, professeur agrégé de génie mécanique et chercheur à Scott. Institute for Energy Innovation de l'Université Carnegie Mellon qui a dirigé les études théoriques pour les travaux. "C'est incroyable de trouver une réalisation matérielle de cette approche avec des composites PIM."
Un lauréat du programme IONICS de l'Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E), 24M Technologies, a intégré ces matériaux dans des batteries de plus grand format pour les véhicules électriques et les avions électriques à décollage et atterrissage verticaux, ou eVTOL.
Bien qu'il existe des exigences de puissance uniques pour les véhicules électriques et les eVTOL, la technologie d'électrolyte solide composite PIM semble être polyvalente et performante à haute puissance », a déclaré Helms.
Des chercheurs du Berkeley Lab et de l'Université Carnegie Mellon ont participé à l'étude.
La fonderie moléculaire et la source de lumière avancée sont des installations d'utilisateurs du DOE Office of Science co-localisées au laboratoire de Berkeley.
Ce travail a été soutenu par l'Advanced Research Projects Agency–Energy (ARPA-E) et le DOE Office of Science. Un financement supplémentaire a été fourni par le Bureau du développement de la main-d'œuvre du DOE pour les enseignants et les scientifiques, qui a permis aux étudiants de premier cycle de participer à la recherche dans le cadre du programme de stages en laboratoire de premier cycle en sciences.
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Fondé en 1931 sur la conviction que les plus grands défis scientifiques sont mieux relevés par des équipes, Lawrence Berkeley National Laboratory et ses scientifiques ont été récompensés par 13 prix Nobel. Aujourd'hui, les chercheurs du Berkeley Lab développent des solutions énergétiques et environnementales durables, créent de nouveaux matériaux utiles, repoussent les frontières de l'informatique et sondent les mystères de la vie, de la matière et de l'univers. Des scientifiques du monde entier comptent sur les installations du laboratoire pour leur propre découverte scientifique. Berkeley Lab est un laboratoire national multiprogramme, géré par l'Université de Californie pour l'Office of Science du Département américain de l'énergie.
L'Office of Science du DOE est le plus grand soutien de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis et s'efforce de relever certains des défis les plus urgents de notre époque. Pour plus d'informations, rendez-vous sur energy.gov/science.
Taxi volant, image reproduite avec l'aimable autorisation de Wisk Image en vedette, Une prise CCS de style européen sur une Tesla Model 3. C'est l'une des normes que l'Inde envisage d'adopter pour la recharge des véhicules électriques. Photo de Tesla.