Bien que le lithium métal soit une anode idéale pour les batteries à haute densité d’énergie de nouvelle génération, il reste des défis à relever avant qu’il ne puisse atteindre son plein potentiel. Une équipe de recherche a mené une étude sur le comportement du dépôt de lithium et a développé une stratégie impliquant des hôtes en carbone dur qui résout avec succès certains des problèmes auxquels est actuellement confronté le développement de l’anode au lithium métallique.
« Cette stratégie aborde les problèmes de changement de volume et de dendrites par un hôte et un électrolyte de conception rationnelle, offrant une large perspective pour la réalisation d’une anode lithium-métal », a déclaré Liping Wang, professeur à l’Université des sciences et technologies électroniques de Chine.
L’équipe a publié ses recherches dans la revue Nano-recherche.
Le lithium métal est reconnu comme une anode prometteuse pour les batteries de nouvelle génération en raison de sa capacité théorique ultra-élevée, de son potentiel d’électrode extrêmement faible et de sa faible densité. Cependant, le lithium métallique souffre d’une croissance incontrôlable des dendrites de lithium, de réactions secondaires et d’un changement de volume relatif infini. Ces problèmes peuvent réduire l’efficacité des batteries et raccourcir la durée de vie du cycle de la batterie, pouvant même entraîner des risques de court-circuit ou de sécurité.
Au fil du temps, les chercheurs ont proposé diverses stratégies pour atténuer la croissance des dendrites et l’expansion du volume. Ces stratégies comprennent la construction d’anodes de lithium composites tridimensionnelles, l’optimisation de la composition des électrolytes, l’application d’interphases artificielles et l’utilisation d’électrolytes à l’état solide.
L’hôte tridimensionnel est la stratégie la plus prometteuse pour résoudre les problèmes d’expansion de volume et de croissance des dendrites. Les matériaux à base de carbone sont des candidats hôtes idéaux pour les anodes lithium-métal car ils sont légers, ont une conductivité élevée et de nombreuses structures de pores, ainsi que des propriétés électrochimiques/chimiques stables.
« Pourtant, même avec ces avantages, les défis de l’expansion du volume et de la croissance des dendrites n’ont pas été complètement résolus par l’hôte à base de carbone », a déclaré Wang.
Plus récemment, les chercheurs ont exploré la modification des matériaux carbonés avec des espèces lithiophiles (telles que le zinc, l’oxyde de zinc, l’aluminium, l’étain, le silicium, l’argent et le magnésium) et le développement d’électrolytes appropriés comme méthodes efficaces pour améliorer les performances de ces matériaux hôtes tridimensionnels.
« Pourtant, le comportement du dépôt de lithium et son mécanisme intrinsèque dans ces processus n’ont pas été systématiquement analysés », a déclaré Wang.
Pour mieux comprendre la relation structure-activité et guider le développement d’électrodes hôtes à base de carbone hautes performances, le comportement de dépôt du lithium et son mécanisme intrinsèque, l’équipe de recherche a entrepris une étude approfondie. Ils ont utilisé un microscope optique et un microscope électronique à balayage pour étudier systématiquement le comportement de dépôt de lithium de l’électrode d’hydrocarbure sous différentes modifications de surface et électrolytes.
Ils ont découvert que le lithium ne se dépose pas spontanément dans les pores du carbone, ce qui dépend de manière significative de la surface du carbone, de la densité de courant, de la capacité surfacique et de l’électrolyte.
L’équipe a donc développé un carbone dur commercial modifié lithiophilique avec de l’argent comme hôte stable. Ils ont découvert que l’introduction de sites lithiophiles induisait une croissance modérée des dendrites et inhibait l’expansion volumique.
Ils ont également découvert que les électrolytes localisés à haute concentration s’avéraient plus compatibles avec le lithium et pouvaient optimiser la morphologie du dépôt de lithium au lieu de la dendrite. Par conséquent, l’électrode d’argent/hydrocarbure dans l’électrolyte localisé à haute concentration présentait un faible changement de volume pendant le cycle, obtenait une morphologie de dépôt de lithium uniforme et sans dendrite et présentait un bon cycle à long terme avec une efficacité élevée sur 316 cycles.
L’équipe a résumé leurs découvertes, expliquant que bien que le carbone poreux ait de l’espace pour contenir théoriquement le lithium, les ions lithium ne se déposeront pas dans les pores attendus car les atomes de lithium préfèrent s’accumuler en mode de croissance explosive et sont suffisamment solides pour soutenir les particules de carbone. Ils ont également découvert que la modification de surface sur le carbone peut partiellement modérer le dépôt de lithium avec une barrière de nucléation décroissante.
Cependant, il n’est pas significativement efficace car il s’agit du comportement de dépôt de lithium-lithium après le dépôt de lithium sur du carbone lithiophile. L’équipe a appris que l’utilisation d’électrolytes localisés à haute concentration est plus efficace pour obtenir un dépôt de lithium sans dendrite.
Plus d’information:
Ge Zhou et al, Comportement du dépôt de lithium dans les hôtes à carbone dur : étude par microscopie optique et microscopie électronique à balayage, Nano-recherche (2022). DOI : 10.1007/s12274-022-5256-8
Fourni par Tsinghua University Press