Résumé :
Des chercheurs chinois ont développé un mince revêtement protecteur pour les anodes au lithium métallique, qui devrait résoudre les principaux problèmes techniques rencontrés depuis longtemps par les batteries entièrement solides. Lors de tests en laboratoire, les batteries traitées avec ce revêtement ont conservé 82,3 % de leur capacité initiale après 300 cycles de charge-décharge ; en comparaison, une batterie témoin utilisant du lithium métal non traité maintenait un taux de rétention de capacité de seulement 43,0 %.
Cette recherche a été réalisée par l'équipe de recherche scientifique de l'Université des sciences et technologies électroniques de Xi'an, et les résultats ont été publiés dans « Science China Chemistry ». Les chercheurs utilisent un simple traitement chimique liquide pour former une couche protectrice à la surface du lithium métallique, offrant ainsi de nouvelles idées pour améliorer la stabilité et la durée de vie des batteries de nouvelle génération.
Le lithium métal est considéré comme un matériau candidat important pour les batteries à haute densité énergétique et est même appelé le « Saint Graal » dans le domaine du stockage d'énergie. Théoriquement, le lithium métal peut stocker près de dix fois la quantité d’électricité par gramme de l’électrode négative en graphite utilisée dans les batteries lithium-ion traditionnelles. Si cet avantage peut être pleinement utilisé, les futures batteries devraient stocker plus d’énergie pour le même poids, réduisant ainsi le poids de la batterie et offrant une plus grande autonomie aux véhicules électriques.
Cependant, le lithium métallique est sujet à des dépôts inégaux pendant le processus de charge et de décharge, formant des structures pointues appelées dendrites de lithium. Ces dendrites peuvent continuer à croître et éventuellement percer la structure interne de la batterie, provoquant des courts-circuits et des risques pour la sécurité. Dans le même temps, il existe également des problèmes de stabilité chimique entre le lithium métallique et l’électrolyte solide sulfuré, et les réactions interfaciales affecteront les performances et la durée de vie de la batterie. Ces problèmes ont toujours constitué des obstacles importants à l’application pratique des batteries tout solide au lithium métal.
Pour résoudre ce problème, une équipe composée de chercheurs comprenant Li Siwu, Wu Weiwei et Yu Chuang a combiné un polymère à base de silicium avec du chlorure d'indium pour créer un précurseur liquide qui peut être directement déposé sur la surface du lithium métallique. Une fois que le matériau de revêtement a réagi avec le lithium, un film protecteur composite d'une épaisseur d'environ 12 microns seulement sera formé in situ sur la surface, qui contient des composants tels que du fluorure de lithium et des nanoparticules d'alliage lithium-indium.
Ce film protecteur n'isole pas simplement le lithium métal du monde extérieur, mais améliore le processus de dépôt des ions lithium à l'intérieur de la batterie grâce à la synergie de différents matériaux. Le squelette polymère a un certain degré de flexibilité et peut s'adapter aux contraintes mécaniques provoquées par l'expansion et la contraction répétées du lithium métallique pendant la charge et la décharge ; le fluorure de lithium peut bloquer les électrons et inhiber la nucléation et la croissance des dendrites de lithium ; Les nanoparticules d'alliage de lithium et d'indium aident à guider le dépôt uniforme des ions lithium et à éviter l'accumulation concentrée de lithium pour former des structures pointues dangereuses.
Les résultats expérimentaux montrent que la densité de courant critique de l'électrode en lithium métallique revêtue atteint 3,5 milliampères par centimètre carré, soit plus de quatre fois celle de l'électrode non traitée, qui est de 0,8 milliampères par centimètre carré. La densité de courant critique est un indicateur important de la capacité de la batterie à résister aux dépôts inégaux de lithium et à la croissance des dendrites. Une augmentation de la valeur signifie que la batterie devrait maintenir un fonctionnement stable à des densités de courant plus élevées.
Les chercheurs ont ensuite appliqué cette électrode de protection à une batterie complète. La batterie de test utilise une électrode positive en oxyde de nickel-cobalt-manganèse et un électrolyte solide sulfuré, et la capacité initiale atteint 129,8 mAh par gramme à un taux de 0,5 °C. Après 300 cycles de charge-décharge, la batterie conservait encore 82,3 % de sa capacité initiale. En revanche, lors de l'utilisation d'électrodes au lithium métallique non protégées, le taux de rétention de capacité n'est que de 43,0 %, et l'écart entre les deux est très évident.
L'analyse spectrale et l'observation au microscope électronique ont confirmé la composition et la structure de la couche protectrice. Les chercheurs ont découvert que le revêtement formait un film relativement dense et uniforme, et qu'aucune fissure ou vide évident n'était observé, ce qui a également fourni une preuve structurelle qu'il peut protéger en permanence l'interface entre le lithium métallique et l'électrolyte solide.
Une autre caractéristique remarquable de cette technologie est sa potentielle adaptabilité industrielle. Contrairement à certaines technologies de modification de la surface des électrodes qui nécessitent des processus complexes de traitement sous vide, ce film protecteur est formé par revêtement direct avec un précurseur liquide et réaction sur la surface du lithium métallique. En théorie, il existe une opportunité d'utiliser les équipements de revêtement industriels existants pour la production, réduisant ainsi la complexité et le coût du processus de fabrication.
L'équipe de recherche prévoit également d'explorer le remplacement de l'indium par de l'étain, du zinc et d'autres éléments afin d'optimiser davantage la formule du matériau. L'indium est un métal relativement rare et coûteux. Si des matériaux alternatifs présentant des performances similaires et un coût inférieur pouvaient être trouvés, cela contribuerait à améliorer la rentabilité d’une application à grande échelle de cette technologie à l’avenir.
Cependant, cette réalisation en est encore au stade de la recherche en laboratoire. L’amélioration des performances de cycle obtenue lors de l’expérience ne signifie pas que les batteries concernées sont prêtes à être commercialisées. À l'avenir, il sera nécessaire de vérifier davantage ses performances sur des périodes de cycle plus longues, des capacités de batterie plus importantes, des environnements de température différents et des conditions de production réelles, tout en résolvant des problèmes tels que le coût des matériaux, la cohérence de la fabrication et la stabilité de l'interface à long terme.
Les chercheurs pensent que cette couche protectrice composite formée in situ constitue une voie technique relativement simple pour stabiliser les anodes métalliques au lithium. Si les recherches ultérieures peuvent prouver leur fiabilité dans les batteries réelles et parvenir à une fabrication à grande échelle et à faible coût, elles pourraient rapprocher les batteries entièrement solides à haute densité énergétique des véhicules électriques et du stockage d’énergie à grande échelle.
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