Des chercheurs combattent la corrosion pour révéler pour la première fois la véritable forme du lithium

Remplissez le formulaire ci-dessous et nous vous enverrons par e-mail une version PDF de « Des chercheurs combattent la corrosion pour révéler pour la première fois la véritable forme du lithium ».

Remplissez le formulaire ci-dessous pour débloquer l’accès à TOUS les articles audio.

Les atomes de lithium sur une surface forment naturellement un dodécaèdre rhombique – une forme à 12 faces semblable à un dé d12 – lorsqu’ils sont protégés de la corrosion. Cette découverte pourrait avoir des conséquences importantes sur le développement de batteries au lithium métal sûres, qui ont jusqu'à présent été entravées par une croissance imprévisible du lithium qui présente des risques d'incendie. La recherche est publiée dans Nature.

On trouve des batteries lithium-ion rechargeables dans presque tous les foyers, alimentant tout, des smartphones aux véhicules électriques. Ils sont également largement utilisés pour des applications industrielles de stockage d’énergie, telles que le stockage de l’énergie excédentaire produite à partir de l’énergie solaire et éolienne aux heures de pointe.

Les batteries lithium-ion conservent l'énergie en stockant des atomes de lithium chargés positivement dans une structure de carbone en forme de cage qui recouvre une électrode. Mais avant les batteries lithium-ion, il y avait les batteries lithium-métal. Plutôt que du carbone, une batterie lithium-métal recouvre l’électrode d’une fine feuille de lithium métallique pur. Ce petit changement peut contenir jusqu'à 10 fois plus de lithium dans le même espace par rapport aux batteries lithium-ion, ce qui entraîne une performance considérablement accrue.

Mais les batteries rechargeables au lithium-métal sont également bien plus dangereuses. Le lithium métallique est très réactif, au point que la corrosion commence à s'installer presque immédiatement lors du dépôt du métal sur une électrode. Les atomes de lithium peuvent alors former des pointes et des branches microscopiques qui, si elles entrent en contact, peuvent provoquer un court-circuit.

L’inclusion d’électrolyte dans une batterie lithium-métal affectera également les formes que prend ce lithium de surface, et c’est en partie pourquoi les batteries lithium-métal sont toujours considérées comme sûres pour une utilisation dans certaines industries. Jusqu’à présent, l’opinion dominante était que le choix de l’électrolyte était un facteur majeur pour déterminer si le lithium formerait des formes trapues, épineuses ou colonnaires à la surface de l’électrode.

"Nous voulions voir si nous pouvions déposer du lithium si rapidement que nous devions dépasser la réaction qui provoque le film de corrosion", a déclaré Xintong Yuan, doctorant à l'Université de Californie à Los Angeles (UCLA), premier auteur de l'étude. "De cette façon, nous pourrions potentiellement voir comment le lithium veut se développer en l'absence de ce film."

Les chercheurs ont développé une nouvelle technique permettant de déposer le lithium plus rapidement que les méthodes traditionnelles. En faisant passer le courant à travers une électrode beaucoup plus petite, les chercheurs ont pu faire passer l’électricité plus rapidement et accélérer le processus de dépôt – de la même manière que l’eau poussée à travers un tuyau partiellement obstrué jaillira avec plus de force.

Cette technique a été utilisée pour déposer du lithium métallique en utilisant quatre électrolytes différents, la forme des dépôts de lithium étant analysée par imagerie par cryomicroscopie électronique (cryo-EM). Les formes observées ont été comparées à des échantillons supplémentaires réalisés dans des conditions similaires, mais en utilisant la technique de dépôt plus traditionnelle.

La nouvelle technique de dépôt ultrarapide s’est avérée si rapide qu’elle a dépassé la corrosion naturelle du lithium.

Abonnez-vous à la newsletter quotidienne de Technology Networks et recevez chaque jour les dernières nouvelles scientifiques directement dans votre boîte de réception.

Avec la corrosion, le lithium a formé quatre formes microscopiques distinctes. Mais grâce au processus ultrarapide sans corrosion, le lithium a toujours formé des formes de dodécaèdre à l’échelle microscopique sur la surface de l’électrode. Les chercheurs affirment que cela reflète probablement la « vraie » forme du lithium, dans les cas où il n’est pas autorisé à se corroder.

"Il existe des milliers d'articles sur le lithium métal, et la plupart des descriptions de la structure sont qualitatives, telles que "grosses" ou "en forme de colonne"", a déclaré Yuzhang Li, auteur correspondant de l'étude et professeur adjoint de génie chimique et biomoléculaire à l'université. l'École d'ingénierie UCLA Samueli.