Des chercheurs de l’université Jiao-tong de Shanghai (Chine) ont développé une nouvelle approche pour obtenir des anodes en lithium métallique, le graal des batteries à hautes performances énergétiques. Les résultats de leur étude, publiée le 6 janvier dans Nature synthesis, présentent une stratégie de conception d’anodes de lithium monocristallin à partir de la recristallisation de lithium commercial polycristallin.
Ces anode permettent selon les chercheurs de réduire considérablement l’apparition de dendrites, ces excroissances pouvant mener à des courts-circuits dévastateurs dans les cellules de batteries. Les chercheurs ont testé leurs électrodes dans des cellules à cathode au nickel, avec des électrolytes liquides et solides : d’après l’étude, les performances énergétiques et de stabilité de cycle de leurs cellules sont nettement supérieures à celles comprenant du lithium polycristallin.
Le secteur des batteries lithium métallique fait face à un défi de taille : les cellules de ces batteries sont synonymes de très haute densité énergétique, mais sont également propices à la formation de dendrites, réduisant considérablement la densité de courant à laquelle la batterie peut fonctionner, et ainsi ses performances énergétiques. D’après des travaux cités par les chercheurs, la valeur du courant critique, à partir de laquelle des dendrites se forment, est étroitement liée à l’énergie d’activation, énergie nécessaire pour provoquer le déplacement d’un atome de l’anode au lithium métallique.
Conception d'anodes au lithium monocritallin
Une faible énergie d’activation signifie alors une rapide diffusion des atomes à la surface de l’anode et ainsi, d’après les chercheurs, la réduction de la tendance à la formation de dendrites. Les chercheurs notent par ailleurs que les anodes commerciales de lithium métalliques sont en grande majorité polycristallines, et composées de trois orientations cristallines différents (Li(110), Li(200) et Li(211)). Parmi ces trois systèmes, le Li(211) possède une forte énergie d’activation, évaluée à 0,41 eV, tandis que celle du Li(110) est très faible : 0,02 eV.
Les chercheurs ont donc fabriqué une anode au lithium métallique monocristalline de Li(110). À partir de lithium polycristallin, ils ont procédé à une chauffe jusqu’à 200°C, soit 22°C au-delà du point de fusion du lithium, un premier refroidissement à 178°C puis un maintien à cette température durant 2 heures et un refroidissement naturel jusqu’à température ambiante. Ce procédé, selon les chercheurs, a permis d’obtenir des structures monocristallines de Li(110) stables et de taille considérable, permettant ensuite la conception d’anodes de lithium métallique monocristallin à faible énergie d’activation.
Une durée de vie et des performances de cycles améliorées
Les anodes ainsi produites ont ensuite été testées dans différents prototypes de cellules de batteries à cathodes au nickel et à électrolytes liquides et solides. D’une part, à charge électrique égale, la durée de vie d’une cellule de batterie à électrolyte solide et anode au lithium monocristallin est 5 fois supérieure à une cellule à anode au lithium polycristallin.
Les chercheurs présentent dans leur étude des performances de cycle de leur cellule restant stables durant plus de 350 cycles, contre environ 75 pour une batterie à base d’anode de lithium polycristallin. Dans des cellules à électrolyte liquide fluoré, la rétention de capacité de celles au lithium monocristallin est par ailleurs évaluée à 91 % et 81 % après 50 et 100 cycles, contre 65 % et 22 % pour une cellule à anode polycristalline, toujours d’après les résultats de l’étude.
