Les batteries lithium-ion rechargeables sont utilisées pour alimenter de nombreux appareils électroniques dans notre vie quotidienne, des ordinateurs portables et téléphones portables aux voitures électriques.Les batteries lithium-ion actuellement disponibles sur le marché reposent généralement sur une solution liquide, appelée électrolyte, au centre de la cellule.

Lorsque la batterie alimente un appareil, les ions lithium se déplacent de l’extrémité chargée négativement, ou anode, à travers l’électrolyte liquide, jusqu’à l’extrémité chargée positivement, ou cathode.Lorsque la batterie est rechargée, les ions circulent dans l’autre sens depuis la cathode, à travers l’électrolyte, jusqu’à l’anode.

Les batteries lithium-ion qui dépendent d’électrolytes liquides présentent un problème de sécurité majeur : elles peuvent prendre feu en cas de surcharge ou de court-circuit.Une alternative plus sûre aux électrolytes liquides consiste à construire une batterie qui utilise un électrolyte solide pour transporter les ions lithium entre l’anode et la cathode.

Cependant, des études antérieures ont montré qu'un électrolyte solide entraînait de petites excroissances métalliques, appelées dendrites, qui s'accumulaient sur l'anode pendant le chargement de la batterie.Ces dendrites court-circuitent les batteries à faible courant, les rendant inutilisables.

La croissance des dendrites commence au niveau de petits défauts dans l’électrolyte, à la limite entre l’électrolyte et l’anode.Des scientifiques indiens ont récemment découvert un moyen de ralentir la croissance des dendrites.En ajoutant une fine couche métallique entre l’électrolyte et l’anode, ils peuvent empêcher les dendrites de se développer dans l’anode.

Les scientifiques ont choisi d’étudier l’aluminium et le tungstène comme métaux possibles pour construire cette fine couche métallique.En effet, ni l'aluminium ni le tungstène ne se mélangent ou ne s'allient avec le lithium.Les scientifiques pensaient que cela réduirait le risque de formation de défauts dans le lithium.Si le métal choisi s’alliait au lithium, de petites quantités de lithium pourraient pénétrer dans la couche métallique au fil du temps.Cela laisserait un type de défaut appelé vide dans le lithium où une dendrite pourrait alors se former.

Afin de tester l’efficacité de la couche métallique, trois types de batteries ont été assemblés : une avec une fine couche d’aluminium entre l’anode de lithium et l’électrolyte solide, une avec une fine couche de tungstène et une sans couche métallique.

Avant de tester les batteries, les scientifiques ont utilisé un microscope de grande puissance, appelé microscope électronique à balayage, pour examiner de près la limite entre l'anode et l'électrolyte.Ils ont vu de petites lacunes et des trous dans l’échantillon sans couche métallique, notant que ces défauts sont probablement des endroits où se développent des dendrites.Les batteries avec des couches d’aluminium et de tungstène semblaient lisses et continues.

Dans la première expérience, un courant électrique constant a traversé chaque batterie pendant 24 heures.La batterie sans couche métallique a été court-circuitée et est tombée en panne au cours des 9 premières heures, probablement en raison de la croissance de dendrites.Aucune batterie à base d'aluminium ou de tungstène n'a échoué lors de cette première expérience.

Afin de déterminer quelle couche métallique était la plus efficace pour arrêter la croissance des dendrites, une autre expérience a été réalisée uniquement sur les échantillons de couches d'aluminium et de tungstène.Dans cette expérience, les batteries ont été soumises à des densités de courant croissantes, en commençant par le courant utilisé dans l'expérience précédente et en augmentant légèrement à chaque étape.

La densité de courant à laquelle la batterie a court-circuité était considérée comme la densité de courant critique pour la croissance des dendrites.La batterie avec une couche d'aluminium est tombée en panne à trois fois le courant de démarrage, et la batterie avec une couche de tungstène est tombée en panne à plus de cinq fois le courant de démarrage.Cette expérience montre que le tungstène a surpassé l’aluminium.

Encore une fois, les scientifiques ont utilisé un microscope électronique à balayage pour inspecter la limite entre l'anode et l'électrolyte.Ils ont constaté que des vides commençaient à se former dans la couche métallique aux deux tiers des densités de courant critiques mesurées lors de l'expérience précédente.Cependant, aucun vide n’était présent à un tiers de la densité de courant critique.Cela a confirmé que la formation de vides entraîne la croissance des dendrites.

Les scientifiques ont ensuite effectué des calculs informatiques pour comprendre comment le lithium interagit avec ces métaux, en utilisant ce que nous savons sur la façon dont le tungstène et l'aluminium réagissent aux changements d'énergie et de température.Ils ont démontré que les couches d’aluminium présentent en effet une probabilité plus élevée de développement de vides lors de l’interaction avec le lithium.L’utilisation de ces calculs faciliterait le choix d’un autre type de métal à tester à l’avenir.

Cette étude a montré que les batteries à électrolyte solide sont plus fiables lorsqu'une fine couche métallique est ajoutée entre l'électrolyte et l'anode.Les scientifiques ont également démontré que le choix d’un métal plutôt qu’un autre, en l’occurrence du tungstène au lieu de l’aluminium, pouvait prolonger la durée de vie des batteries.L’amélioration des performances de ces types de batteries les rapprochera du remplacement des batteries à électrolyte liquide hautement inflammables actuellement sur le marché.