L’Institut Weizmann des sciences veut résoudre le problème des batteries inflammables

Les chercheurs de l’institut Weizmann ont pu démêler les minuscules filaments de lithium qui se forment à l’intérieur des batteries rechargeables, limitant leur utilisation et présentant un risque d’incendie sérieux. Lorsqu’on branche des téléphones portables pour les charger, on part du principe qu’ils seront bientôt remplis d’énergie pour faire défiler les pages, envoyer des SMS et recevoir des notifications. Mais la technologie à l’origine de ce phénomène – les batteries lithium-ion rechargeables – a annoncé une véritable révolution technologique lorsqu’elles sont apparues sur la scène commerciale dans les années 1990, et ces batteries ont valu à leurs développeurs le prix Nobel de chimie en 2019. Sans cette innovation, les smartphones, les écouteurs sans fil et les véhicules électriques seraient à la fois écologiquement et économiquement irréalisables.

La vitesse à laquelle la technologie progresse exige des batteries plus résistantes et plus sûres, mais leur développement n’est pas une tâche facile. Les batteries au lithium métal, par exemple, pourraient à l’avenir fournir beaucoup plus d’énergie que celles couramment utilisées aujourd’hui, mais elles posent également un défi de taille : à chaque charge, de minuscules filaments appelés dendrites se forment à l’intérieur. Lorsque les dendrites s’accumulent, elles peuvent créer des ponts métalliques à l’intérieur de la batterie, ce qui permet un transfert incontrôlé d’électrons susceptible de détruire la batterie et, plus inquiétant encore, de créer un risque d’incendie.

Jusqu’à présent, les chercheurs disposaient de techniques limitées pour caractériser la formation des dendrites. Dans une nouvelle étude menée par le laboratoire du Pr Michal Leskes, du département de chimie moléculaire et de science des matériaux de l’Institut Weizmann des sciences, les chercheurs dirigés par le Dr Ayan Maity ont développé une technique innovante qui leur permet non seulement d’identifier ce qui, dans la batterie, affecte l’accumulation de dendrites, mais aussi d’inspecter rapidement l’efficacité et la sécurité des composants alternatifs de la batterie.

Les batteries rechargeables fonctionnent en permettant aux ions chargés positivement de passer de l’électrode négative (l’anode) à l’électrode positive (la cathode) à travers une substance conductrice d’électricité appelée électrolyte. Lorsque la batterie est en charge, les ions retournent à l’anode – contrairement à ce qui se passe naturellement dans une réaction chimique – et cela prépare la batterie à une utilisation répétée. Les batteries au lithium métal sont innovantes dans la mesure où leurs anodes sont constituées de lithium métal pur, ce qui leur permet de stocker de grandes quantités d’énergie.

Le problème est que le lithium métal est très actif chimiquement et interagit avec tout matériau qu’il rencontre. Ainsi, lorsqu’il interagit avec l’électrolyte, des dendrites se forment rapidement en quantité qui met en danger l’utilisateur et la santé de la batterie. Le risque d’incendie peut être évité en remplaçant l’électrolyte liquide et inflammable de la batterie par un matériau solide et ininflammable, comme un composite de polymères et de particules de céramique. L’équilibre entre ces deux composants affecte considérablement la formation de dendrites, mais le principal défi reste de trouver la composition idéale pour prolonger la durée de vie des batteries. L’équipe de recherche a voulu répondre à cette question en utilisant la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) – une technique reconnue pour révéler la structure chimique des matériaux – qui leur a permis de suivre le développement des dendrites et d’identifier les interactions chimiques au sein de l’électrolyte.

« Lorsque nous avons examiné les dendrites dans des batteries avec différents ratios de polymère et de céramique, nous avons découvert une sorte de « nombre d’or » : les électrolytes composés de 40 % de céramique avaient la durée de vie la plus longue », explique Michal Leskes. « Lorsque nous avons dépassé 40 % de céramique, nous avons rencontré des problèmes structurels et fonctionnels qui ont entravé les performances de la batterie, tandis qu’une teneur inférieure à 40 % a entraîné une réduction de la durée de vie de la batterie. »

Étonnamment, cependant, dans les batteries les plus performantes, le nombre de dendrites a augmenté, mais leur croissance a été bloquée et elles ont formé moins de ces ponts dangereux. Ces résultats ont conduit les chercheurs à une question à un million de dollars, qui pourrait valoir bien plus que cela en termes d’applications commerciales : qu’est-ce qui bloque la croissance des dendrites ? Les chercheurs ont émis l’hypothèse que la réponse se trouvait dans une fine couche à la surface des dendrites, connue sous le nom d’interphase d’électrolyte solide ou SEI. La couche SEI, qui se forme lorsque les dendrites réagissent avec l’électrolyte, peut être composée de diverses substances qui ont un effet positif ou négatif sur la batterie.

Par exemple, la composition chimique de la couche SEI peut gêner ou améliorer le mouvement des ions lithium le long de la batterie et bloquer ou faciliter le mouvement de matières nocives de l’anode à la cathode, ce qui, à son tour, peut gêner ou accélérer le développement des dendrites. Pour caractériser les couches SEI, les chercheurs ont dû penser «en dehors de la batterie». Comme ces couches ne sont composées que de quelques dizaines de nanomètres d’atomes, les signaux qu’elles captent en RMN sont assez faibles. Pour tenter de renforcer ces signaux, les chercheurs ont eu recours à une technique rarement utilisée dans l’étude des batteries : l’amplification de la RMN par polarisation nucléaire dynamique.

Cette technique utilise le fort spin des électrons de lithium polarisés, qui envoient des signaux puissants qui intensifient les signaux émis par les noyaux atomiques de la couche SEI. Après avoir utilisé cette technique, les chercheurs ont pu révéler la composition chimique précise de la couche SEI, ce qui leur a permis de découvrir les interactions qui se produisent entre le lithium et les différentes structures de l’électrolyte. Ils ont pu par exemple déterminer si une dendrite s’était formée lors de l’interaction du lithium avec le polymère ou avec la céramique. Cela a également conduit à la découverte surprenante que les couches SEI créées sur les dendrites rendent parfois le transfert d’ions au sein de l’électrolyte plus efficace tout en bloquant les substances dangereuses.

Les résultats de l’étude apportent de nouvelles perspectives qui pourraient être utilisées pour développer des batteries plus robustes, plus résistantes et plus sûres, capables de fournir plus d’énergie à un coût environnemental et économique moindre. Les batteries du futur pourront alimenter des appareils plus grands et plus intelligents sans avoir à augmenter la taille de la batterie, tout en prolongeant sa durée de vie.

« L’une des choses que j’aime le plus dans cette étude est que, sans une compréhension scientifique approfondie de la physique fondamentale, nous n’aurions pas pu comprendre ce qui se passe à l’intérieur d’une batterie. Notre processus était très typique du travail ici à l’Institut Weizmann. Nous sommes partis d’une question purement scientifique qui n’avait rien à voir avec les dendrites, et cela nous a conduit à une étude avec des applications pratiques qui pourraient améliorer la vie de chacun », explique Michal Leskes.

Le Dr Asya Svirinovsky-Arbeli, Yehuda Buganim et Chen Oppenheim du département de chimie moléculaire et de science des matériaux de l’institut Weizmann ont également participé à l’étude.