Stalactites et stalagmites dans la batterie ? De nouvelles recherches pourraient conduire à des batteries plus durables

Qu’il s’agisse d’une voiture électrique, d’un téléphone portable ou d’un tournevis sans fil, de nombreux appareils utilisés au quotidien utilisent désormais des batteries rechargeables. Cependant, la tendance a aussi ses inconvénients. Par exemple, certains téléphones portables ont été interdits de transportation dans les avions ou des voitures électriques ont pris feu. Les batteries lithium-ion commerciales modernes sont sensibles aux contraintes mécaniques.

Les soi-disant “batteries à semi-conducteurs” pourraient apporter un remède. Ceux-ci ne contiennent as well as de noyau liquide – ce que l’on appelle l’électrolyte – mais sont entièrement constitués d’un matériau solide, par exemple une céramique conductrice ionique. De ce fait, ils sont mécaniquement robustes, ininflammables, faciles à miniaturiser et insensibles aux variants de température.

Mais les batteries à semi-conducteurs montrent leurs problèmes après plusieurs cycles de demand et de décharge  : alors que les pôles positifs et négatifs de la batterie sont encore séparés électriquement l’un de l’autre au début, ils sont finalement connectés électriquement l’un à l’autre par des processus de batterie internes  : “Lithium dendrites” se développent lentement dans la batterie. Ces dendrites de lithium croissent étape par étape au cours de chaque processus de cost jusqu’à ce que les deux pôles soient connectés. Résultat : la batterie est court docket-circuitée et « meurt ». Jusqu’à présent, cependant, les processus physiques exacts qui ont lieu dans ce processus ne sont pas encore bien compris.

Une équipe dirigée par Rüdiger Berger du département de Hans-Jürgen Butt s’est maintenant attaquée au problème et a utilisé une méthode de microscopie spéciale pour étudier les processus furthermore en détail. Ils ont étudié la dilemma de savoir où les dendrites de lithium commencent à se développer. Est-ce comme dans une grotte de pierre coulée où des stalactites poussent du plafond et des stalagmites du sol jusqu’à ce qu’elles se rejoignent au milieu et forment un soi-disant “stalagnat” ? Il n’y a pas de haut et de bas dans une batterie – mais les dendrites poussent-elles du pôle négatif au pôle positif ou du pôle positif au pôle négatif ? Ou croissent-ils également des deux pôles ? Ou y a-t-il des endroits spéciaux dans la batterie qui conduisent à la nucléation puis à la croissance dendritique à partir de là ?

L’équipe de Rüdiger Berger s’est penchée en particulier sur ce que l’on appelle les “joints de grains” dans l’électrolyte solide céramique. Ces joints se forment lors de la réalisation de la couche solide : Les atomes des cristaux de la céramique sont fondamentalement très régulièrement disposés. Cependant, en raison de petites fluctuations aléatoires de la croissance cristalline, des buildings en forme de ligne se forment là où les atomes sont disposés de manière irrégulière – ce que l’on appelle une « limite de grain ».

Ces joints de grains sont visibles avec leur méthode de microscopie – “Kelvin Probe Pressure Microscopy” – dans laquelle la area est balayée avec une pointe acérée. Chao Zhu, un doctorant travaillant avec Rüdiger Berger déclare : “Si la batterie à semi-conducteurs est chargée, la microscopie à sonde Kelvin voit que les électrons s’accumulent le very long des joints de grains, en particulier près du pôle négatif.” Ce dernier indique que le joint de grain modifie non seulement l’arrangement des atomes de la céramique, mais également leur composition électronique.

En raison de l’accumulation d’électrons – c’est-à-dire de particules négatives – les ions lithium chargés positivement se déplaçant dans l’électrolyte solide peuvent être réduits en lithium métallique. Résultat : des dépôts de lithium et des dendrites de lithium se forment. Si le processus de charge est répété, la dendrite continuera de croître jusqu’à ce que les pôles de la batterie soient finalement connectés. La formation de tels stades initiaux pour la croissance des dendrites n’a été observée qu’au pôle négatif – également observée uniquement à ce pôle. Aucune croissance n’a été observée au pôle positif opposé.

Les scientifiques espèrent qu’avec une compréhension précise des processus de croissance, ils seront également en mesure de développer des moyens efficaces pour empêcher ou au moins limiter la croissance au pôle négatif, de sorte qu’à l’avenir, les batteries au lithium à semi-conducteurs furthermore sûres puissent également être utilisées. dans les apps massive bande.