Prévenir les pannes catastrophiques des batteries lithium-ion

Dans une étude récente publiée dans Matériaux énergétiques avancésune équipe de scientifiques de l’ANSTO, dirigée par le professeur Vanessa Peterson, a utilisé des techniques de diffusion de neutrons pour comprendre la formation de structures de lithium nocives dans les batteries rechargeables au lithium-ion (LIB).

Bien qu’elles soient présentes dans la plupart des appareils électroniques portables et des véhicules électriques, la capacité énergétique des LIB est inférieure à celle requise par de nombreuses technologies de nouvelle génération. Bien que le remplacement des électrodes communes de ces batteries par du lithium métallique pur puisse aider la batterie à stocker beaucoup plus d’énergie, les microstructures de lithium qui se forment à la surface du lithium peuvent créer des courts-circuits et entraîner une panne catastrophique de la batterie.

“Il est important de comprendre comment et pourquoi ces structures nocives de lithium se forment afin de les empêcher de se former et, à terme, de nous permettre d’utiliser ces types de batteries à plus haute énergie”, a déclaré Peterson.

On savait qu’il existait différents types de structures, « moustaches », « mousse » et « dendrites » dans les batteries démantelées. Les moustaches ressemblent à de minuscules aiguilles, la mousse ressemble à une couche poreuse et les dendrites sont des structures longues et fines, et ce sont ces structures « pointues » qui causent le plus de problèmes.

“Nous avons utilisé des techniques de diffusion de neutrons aux petits et ultra petits angles (SANS et USANS) avec nos instruments Quokka et Kookaburra au Centre australien de diffusion des neutrons pour étudier ces structures complexes du lithium”, a déclaré Peterson.

Elle a expliqué que ces méthodes sont intéressantes car elles fournissent des informations sur la taille et la forme des structures de lithium à l’intérieur d’une batterie sans la démonter. Parce qu’une batterie contient de nombreux composants, les données SANS et USANS ont été collectées à partir de ces différentes parties afin d’isoler l’information provenant du lithium uniquement dans les données.

“Ces informations nous ont aidé à concevoir une cellule à poche symétrique, idéale pour étudier les modifications du lithium qui s’y dépose.”

Les enquêteurs ont utilisé SANS et USANS pour fournir un moyen précis et moins compliqué d’analyser la structure du lithium déposé par rapport à d’autres méthodes telles que l’imagerie aux rayons X, la microscopie ou l’adsorption de gaz.

L’étude a également révélé que SANS et USANS étaient sensibles au développement d’interfaces entre le lithium et l’électrolyte dû au dépôt de lithium.

Peterson a utilisé des modèles mathématiques pour quantifier la surface et la distance moyenne entre ces interfaces sur la base des données obtenues à partir des mesures.

“Nous avons observé que la surface et les distances interfaciales du lithium déposé changent de manière complexe en fonction de l’historique d’utilisation de la batterie”, a déclaré Peterson.

“Cette recherche ouvre la porte à de futures investigations visant à explorer l’impact de facteurs tels que la quantité de courant électrique, le temps de charge et le processus cyclique de dépôt et de dissolution du lithium sur la surface et les distances entre les interfaces au sein du lithium déposé.

“Comprendre ces facteurs est crucial pour relever les défis associés à la croissance des dendrites de lithium dans la technologie LMB”, a-t-elle déclaré.