Des chercheurs de la Harvard John A. Paulson University of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont développé une nouvelle batterie au lithium métal qui peut être chargée et déchargée au moins 6 000 fois — as well as que toute autre cellule de batterie de poche — et peut être rechargée en une dilemma de minutes.
La recherche décrit non seulement une nouvelle façon de fabriquer des batteries à semi-conducteurs avec une anode au lithium métallique, mais offre également de nouvelles connaissances sur les matériaux utilisés pour ces batteries potentiellement révolutionnaires.
La recherche est publiée dans Character Elements.
« Les batteries à anode métallique au lithium sont considérées comme le Saint Graal des batteries motor vehicle elles ont une capacité dix fois supérieure aux anodes en graphite commerciales et pourraient augmenter considérablement la length de conduite des véhicules électriques », a déclaré Xin Li, professeur agrégé de science des matériaux à SEAS et auteur principal de le papier. « Notre recherche constitue une étape importante vers des batteries à semi-conducteurs plus pratiques pour les programs industrielles et commerciales. »
L’un des moreover grands défis lors de la conception de ces batteries est la formation de dendrites à la surface area de l’anode. Ces buildings poussent comme des racines dans l’électrolyte et % la barrière séparant l’anode et la cathode, provoquant un court-circuit ou même un incendie de la batterie.
Ces dendrites se forment lorsque les ions lithium se déplacent de la cathode à l'anode pendant la charge, se fixant à la surface area de l'anode lors d'un processus appelé placage. Le placage sur l’anode crée une floor inégale et non homogène, comme la plaque dentaire, et permet aux dendrites de s’enraciner. Lorsqu'il est déchargé, ce revêtement en forme de plaque doit être retiré de l'anode et lorsque le placage est inégal, le processus de décapage peut être lent et entraîner des nids-de-poule qui induisent un placage encore furthermore irrégulier lors de la charge suivante.
En 2021, Li et son équipe ont proposé une façon de traiter les dendrites en concevant une batterie multicouche prenant en sandwich différents matériaux de stabilité variable entre l'anode et la cathode. Cette conception multicouche et multi-matériaux a empêché la pénétration des dendrites de lithium non pas en les arrêtant complètement, mais plutôt en les contrôlant et en les contenant.
Dans cette nouvelle recherche, Li et son équipe empêchent la formation de dendrites en utilisant des particules de silicium de la taille d’un micron dans l’anode pour restreindre la réaction de lithiation et faciliter le placage homogène d’une épaisse couche de lithium métallique.
Dans cette conception, lorsque les ions lithium se déplacent de la cathode à l'anode pendant la charge, la réaction de lithiation est restreinte à la area peu profonde et les ions s'attachent à la surface de la particule de silicium mais ne pénètrent pas davantage. Ceci est très différent de la chimie des batteries lithium-ion liquide dans lesquelles les ions lithium pénètrent par une réaction de lithiation profonde et détruisent finalement les particules de silicium dans l'anode.
Mais, dans une batterie à semi-conducteurs, les ions à la floor du silicium sont resserrés et subissent le processus dynamique de lithiation pour former un placage de lithium métallique autour du noyau de silicium.
« Dans notre conception, le lithium métallique s'enroule autour de la particule de silicium, comme une coque de chocolat dur autour d'un noyau de noisette dans une truffe au chocolat », a expliqué Li.
Ces particules enrobées créent une area homogène sur laquelle la densité de courant est uniformément répartie, empêchant ainsi la croissance des dendrites. Et comme le placage et le décapage peuvent être rapides sur une floor airplane, la batterie peut se recharger en seulement 10 minutes approximativement.
Les chercheurs ont construit une version de la pile de la taille d'un timbre-poste, qui est 10 à 20 fois as well as grande que la pile bouton fabriquée dans la plupart des laboratoires universitaires. La batterie a conservé 80 % de sa capacité après 6 000 cycles, surpassant ainsi les autres batteries de poche actuellement disponibles sur le marché. La technologie a été concédée sous licence par le Harvard Workplace of Technology Improvement à Adden Power, une société dérivée de Harvard cofondée par Li et trois anciens élèves de Harvard. La société a étendu sa technologie pour construire une batterie de poche de la taille d’un téléphone clever.
Li et son équipe ont également caractérisé les propriétés qui permettent au silicium de restreindre la diffusion du lithium afin de faciliter le processus dynamique favorisant un placage homogène de lithium épais. Ils ont ensuite défini un descripteur de propriété exceptional pour décrire un tel processus et l'ont calculé pour tous les matériaux inorganiques connus. Ce faisant, l’équipe a révélé des dizaines d’autres matériaux susceptibles d’offrir des performances similaires.
« Des recherches antérieures avaient montré que d'autres matériaux, notamment l'argent, pouvaient servir de bons matériaux à l'anode des batteries à semi-conducteurs », a déclaré Li. « Notre recherche explique un mécanisme sous-jacent doable du processus et fournit une voie permettant d'identifier de nouveaux matériaux pour la conception de batteries. »
La recherche est co-écrite par Luhan Ye, Yang Lu, Yichao Wang et Jianyuan Li. Il a été soutenu par le Bureau de technologie des véhicules du Département de l'énergie, le Harvard Local weather Alter Methods Fund et le Harvard Info Science Initiative Fund.
