Un nouveau modèle mathématique offre des solutions potentielles aux défis des batteries de nouvelle génération

Crédit : domaine public CC0

Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l’Université de Stanford ouvre la voie à la construction de batteries lithium-métal meilleures et plus sûres.

Proches cousines des cellules lithium-ion rechargeables largement utilisées dans les appareils électroniques portables et les voitures électriques, les batteries lithium-métal sont extrêmement prometteuses en tant que dispositifs de stockage d’énergie de nouvelle génération. Par rapport aux appareils lithium-ion, les batteries lithium-métal contiennent plus d’énergie, se rechargent plus rapidement et pèsent considérablement moins.

À ce jour, cependant, l’utilisation commerciale des piles rechargeables au lithium-métal a été limitée. L’une des principales raisons est la formation de “dendrites” – de fines structures métalliques en forme d’arbre qui se développent à mesure que le lithium métal s’accumule sur les électrodes à l’intérieur de la batterie. Ces dendrites dégradent les performances de la batterie et conduisent finalement à une défaillance qui, dans certains cas, peut même déclencher dangereusement des incendies.

La nouvelle étude a abordé ce problème de dendrite d’un point de vue théorique. Comme décrit dans l’article publié dans le Journal de la société électrochimiqueles chercheurs de Stanford ont développé un modèle mathématique qui rassemble la physique et la chimie impliquées dans la formation des dendrites.

Ce modèle offrait l’idée que l’échange de nouveaux électrolytes – le moyen par lequel les ions lithium se déplacent entre les deux électrodes à l’intérieur d’une batterie – avec certaines propriétés pourrait ralentir ou même arrêter carrément la croissance des dendrites.

“L’objectif de notre étude est d’aider à guider la conception de batteries lithium-métal avec une durée de vie plus longue”, a déclaré l’auteur principal de l’étude, Weiyu Li, titulaire d’un doctorat. étudiant en génie des ressources énergétiques co-encadré par les professeurs Daniel Tartakovsky et Hamdi Tchelepi. “Notre cadre mathématique tient compte des processus chimiques et physiques clés dans les batteries lithium-métal à l’échelle appropriée.”

“Cette étude fournit certains des détails spécifiques sur les conditions dans lesquelles les dendrites peuvent se former, ainsi que sur les voies possibles pour supprimer leur croissance”, a déclaré le co-auteur de l’étude, Tchelepi, professeur d’ingénierie des ressources énergétiques à la Stanford’s School of Earth, Energy & Sciences de l’environnement (Terre de Stanford).

Une direction pour la conception

Les expérimentateurs se sont longtemps efforcés de comprendre les facteurs conduisant à la formation de dendrites, mais le travail de laboratoire est laborieux et les résultats se sont avérés difficiles à interpréter. Reconnaissant ce défi, les chercheurs ont développé une représentation mathématique des champs électriques internes des batteries et du transport des ions lithium à travers le matériau électrolytique, ainsi que d’autres mécanismes pertinents.

Avec les résultats de l’étude en main, les expérimentateurs peuvent se concentrer sur des combinaisons matérielles et architecturales physiquement plausibles. “Notre espoir est que d’autres chercheurs puissent utiliser ces conseils de notre étude pour concevoir des dispositifs qui ont les bonnes propriétés et réduire la gamme d’essais et d’erreurs, les variations expérimentales qu’ils doivent faire en laboratoire”, a déclaré Tchelepi.

Plus précisément, les nouvelles stratégies de conception d’électrolytes demandées par l’étude incluent la recherche de matériaux anisotropes, c’est-à-dire qu’ils présentent des propriétés différentes dans différentes directions. Un exemple classique de matériau anisotrope est le bois, qui est plus résistant dans le sens du grain, visible sous forme de lignes dans le bois, par rapport au sens du grain. Dans le cas des électrolytes anisotropes, ces matériaux pourraient affiner l’interaction complexe entre le transport des ions et la chimie interfaciale, contrecarrant l’accumulation qui procède à la formation de dendrites. Certains cristaux liquides et gels présentent ces caractéristiques souhaitées, suggèrent les chercheurs.

Une autre approche identifiée par l’étude est centrée sur les séparateurs de batterie, des membranes qui empêchent les électrodes aux extrémités opposées de la batterie de se toucher et de se court-circuiter. De nouveaux types de séparateurs pourraient être conçus avec des pores qui font passer les ions lithium dans l’électrolyte de manière anisotrope.

Construire et tester

L’équipe attend avec impatience de voir d’autres chercheurs scientifiques suivre les “pistes” identifiées dans leur étude. Ces prochaines étapes impliqueront la fabrication de dispositifs réels qui s’appuient sur de nouvelles formulations expérimentales d’électrolytes et de nouvelles architectures de batterie, puis des tests sur ceux qui pourraient s’avérer efficaces, évolutifs et économiques.

“Une énorme quantité de recherches est consacrée à la conception de matériaux et à la vérification expérimentale de systèmes de batteries complexes, et en général, des cadres mathématiques comme celui dirigé par Weiyu ont largement manqué dans cet effort”, a déclaré le co-auteur Tartakovsky, professeur d’ingénierie des ressources énergétiques. à Stanford.

Suite à ces derniers résultats, Tartakovsky et ses collègues travaillent à la construction d’une représentation virtuelle à part entière, connue sous le nom d'”avatar numérique”, des systèmes de batteries au lithium-métal, ou DABS.

“Cette étude est un élément clé de DABS, un” avatar numérique “complet ou une réplique de batteries lithium-métal en cours de développement dans notre laboratoire”, a déclaré Tartakovsky. “Avec DABS, nous continuerons à faire progresser l’état de l’art pour ces dispositifs de stockage d’énergie prometteurs.”


Les scientifiques utilisent des additifs cationiques multivalents pour débarrasser les batteries rechargeables d’un écueil courant


Plus d’information:
Weiyu Li et al, Stability-Guided Strategies to Mitigate Dendritic Growth in Lithium-Metal Batteries, Journal de la société électrochimique (2022). DOI : 10.1149/1945-7111/ac7978

Fourni par l’Université de Stanford

Citation: Un nouveau modèle mathématique offre des solutions potentielles aux défis des batteries de nouvelle génération (20 juin 2022) récupéré le 20 juin 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-06-mathematical-potential-solutions-next-generation-battery. html

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