Utiliser la photoélasticité dans la recherche d’électrolytes solides résistants aux dendrites

Les chercheurs ont documenté pour la première fois les contraintes qui s’accumulent autour des électrolytes des batteries à semi-conducteurs, contribuant ainsi à préparer le terrain pour le développement de batteries améliorées et plus efficaces. Les scientifiques pensent depuis longtemps que des contraintes peuvent s’accumuler autour des dendrites, de minces projets métalliques susceptibles de court-circuiter les batteries à électrolyte solide, mais elles n’ont pas été mesurées avec précision.

Une équipe de scientifiques de Georgia Tech, de l’Université Brown, de l’Université technologique de Nanyang et du MIT ont mesuré les contraintes mécaniques qui se développent dans les dendrites, résolvant ainsi une hypothèse de longue date selon laquelle des contraintes élevées peuvent se développer autour des dendrites. Les dendrites traversent les électrolytes solides, finissent par passer d’une électrode à l’autre et court-circuitent la cellule de la batterie à semi-conducteurs.

Le professeur Christos Athanasiou de Georgia Tech et l’équipe multidisciplinaire ont utilisé la photoélasticité pour mesurer le stress exercé sur les batteries pendant le cycle de la batterie. Dans leur article intitulé “Mesures Operando des contraintes induites par les dendrites dans les électrolytes céramiques utilisant la photoélasticité”, publié dans la revue Matière, ils ont réussi à surmonter les défis associés aux mesures d’échantillons d’électrolyte solide très petits et faciles à briser. L’épaisseur des échantillons était environ 10 fois inférieure au diamètre moyen des cheveux humains.

L’équipe a utilisé un principe ancien – et presque oublié – de photoélasticité pour mesurer directement les champs de contraintes pendant le fonctionnement des cellules. La nature sans contact de la photoélasticité permet également de mesurer et de visualiser directement les contraintes au niveau des pointes des dendrites. En projetant de la lumière à travers le matériau sous un microscope photoélastique spécial, des champs de contraintes complexes ont été révélés. Dans ce cas, la contrainte révélée par le passage de la lumière à travers l’électrolyte est apparue à l’extrémité de la dendrite de propagation.

Cette configuration expérimentale avancée a ouvert la voie à une exploration approfondie des contraintes développées pendant le fonctionnement de la batterie dans divers électrolytes et conditions, révélant des données critiques sur les conditions de charge et la dynamique des événements de pénétration du lithium métal.

Ce n’est là qu’un exemple où une expérimentation créative, mais simple, peut conduire à des découvertes fondamentales. Le laboratoire Daedalus de Georgia Tech, inspiré par l’ingéniosité de son homonyme, le mythique inventeur grec, se consacre à la décarbonation de l’avenir grâce au développement et à la promotion de matériaux et de structures durables, en utilisant des approches expérimentales innovantes et l’intelligence artificielle.