Batteries au lithium métal : un pas vers la performance
Imaginez des batteries capables d'alimenter votre smartphone pendant des jours, votre voiture électrique sur des milliers de kilomètres. Ce rêve est peut-être en passe de devenir réalité grâce aux récentes avancées dans le domaine des batteries lithium métal. Une équipe de l'université Jiao-tong de Shanghai vient en effet de franchir un pas important en concevant une anode en lithium monocristallin réduisant drastiquement la formation de dendrites, un phénomène jusqu'ici limitant pour cette technologie prometteuse.
Le défi des dendrites dans les batteries lithium métal
Les batteries lithium métal suscitent un immense intérêt pour leur densité énergétique théorique exceptionnelle, bien supérieure aux batteries lithium-ion actuelles. Mais elles se heurtent à un obstacle majeur : la formation de dendrites. Ces excroissances apparaissant à la surface de l'anode lors des cycles de charge/décharge peuvent causer des courts-circuits et réduire significativement la durée de vie et la sécurité des cellules. Réussir à les prévenir constitue donc un enjeu crucial pour libérer tout le potentiel de cette technologie.
Jouer sur l'orientation cristalline du lithium
C'est sur ce point que l'équipe de chercheurs chinois a décidé d'innover. Leur idée ? Utiliser du lithium monocristallin plutôt que le lithium polycristallin habituellement employé pour les anodes. En effet, en fonction de l'orientation cristalline du lithium, l'énergie d'activation nécessaire au déplacement des atomes varie. Et une faible énergie d'activation se traduit par une diffusion plus rapide des atomes en surface, réduisant ainsi la propension à former des dendrites.
Parmi les différentes orientations cristallines du lithium, le Li(110) possède l'énergie d'activation la plus faible (0,02 eV). Les scientifiques ont donc mis au point un procédé pour obtenir des structures monocristallines stables de Li(110) à partir de lithium polycristallin commercial, par des étapes successives de chauffage et refroidissement. Les anodes ainsi produites ont ensuite été testées dans différents prototypes de cellules, face à des cathodes au nickel, avec des électrolytes liquides ou solides.
Des performances et une durée de vie décuplées
Les résultats sont plus qu'encourageants. Comparées à des anodes en lithium polycristallin, celles en Li(110) monocristallin ont permis d'augmenter considérablement la durée de vie des cellules. Avec un électrolyte solide, elle a été multipliée par 5, restant stable sur plus de 350 cycles (contre 75 pour le lithium polycristallin). Côté performances, le constat est tout aussi positif :
- Avec un électrolyte liquide, la rétention de capacité atteint 91% après 50 cycles et 81% après 100 cycles (contre respectivement 65% et 22% pour une anode polycristalline).
- La densité de courant critique avant l'apparition de dendrites est nettement plus élevée avec le lithium monocristallin.
Vers des batteries nouvelle génération
Cette approche basée sur l'ingénierie de l'orientation cristalline des anodes ouvre de nouvelles perspectives pour surmonter l'écueil des dendrites et exploiter pleinement le potentiel des accumulateurs lithium métal. Combinées à d'autres avancées, comme le développement d'électrolytes solides adaptés ou l'optimisation des interfaces, ces anodes haute performance pourraient bien être un élément clé des futures batteries.
Bien sûr, le chemin est encore long de la recherche en laboratoire à une commercialisation à grande échelle. Des défis subsistent, notamment en termes de stabilité à long terme et de coût de production. Mais cette étude montre qu'en s'attaquant de façon novatrice et ciblée aux verrous technologiques, des bonds significatifs sont possibles. Gageons que d'autres innovations permettront dans un avenir proche l'émergence de batteries nouvelle génération, alliant haute densité énergétique, rapidité de charge, durabilité et sécurité. De quoi révolutionner de nombreux secteurs, de l'électronique portable aux véhicules électriques en passant par le stockage stationnaire des énergies renouvelables.
Cette avancée sur les anodes constitue un jalon important vers des batteries lithium métal performantes et durables. Combinée à des électrolytes et interfaces optimisés, elle pourrait déboucher sur une véritable rupture technologique.
– Un chercheur spécialiste des batteries
Une chose est sûre : la course à la batterie du futur bat son plein, dynamisée par des enjeux environnementaux et économiques colossaux. Et les récents progrès, comme ceux de cette équipe chinoise, laissent entrevoir un avenir plein de promesses pour le stockage électrochimique de l'énergie. Un domaine passionnant à suivre de près dans les années à venir !
