Les batteries lithium-ion rechargeables alimentent de nombreux appareils électroniques de notre quotidien, des ordinateurs portables et téléphones portables aux voitures électriques. Les batteries lithium-ion actuellement disponibles sur le marché utilisent généralement une solution liquide, appelée électrolyte, au centre de la cellule.

Lorsqu'une batterie alimente un appareil, les ions lithium se déplacent de l'anode (borne négative) vers la cathode (borne positive), en traversant l'électrolyte liquide. Lors de la recharge, les ions circulent en sens inverse, de la cathode vers l'anode, toujours à travers l'électrolyte.

Les batteries lithium-ion à électrolyte liquide présentent un risque majeur de surchauffe ou de court-circuit, pouvant provoquer un incendie. Une alternative plus sûre consiste à utiliser 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 la formation de petites excroissances métalliques, appelées dendrites, sur l'anode pendant la charge de la batterie. Ces dendrites provoquent des courts-circuits à faible courant, rendant la batterie inutilisable.

La croissance des dendrites débute au niveau de minuscules défauts présents dans l'électrolyte, à l'interface entre celui-ci et l'anode. Des scientifiques indiens ont récemment découvert un moyen de ralentir cette croissance. En ajoutant une fine couche métallique entre l'électrolyte et l'anode, ils parviennent à empêcher les dendrites de pénétrer dans l'anode.

Les scientifiques ont choisi d'étudier l'aluminium et le tungstène comme métaux potentiels pour la fabrication de cette fine couche métallique. En effet, ni l'aluminium ni le tungstène ne se mélangent au lithium, ou ne forment d'alliage avec lui. Les scientifiques pensaient que cela réduirait le risque de formation de défauts dans le lithium. Si le métal choisi s'alliait avec le lithium, de petites quantités de lithium pourraient migrer vers la couche métallique au fil du temps. Ceci créerait un type de défaut appelé cavité 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 électronique à balayage (MEB) à haute résolution pour examiner de près l'interface entre l'anode et l'électrolyte. Ils ont observé de petits interstices et des trous dans l'échantillon dépourvu de couche métallique, et ont noté que ces défauts sont susceptibles d'être le siège de la croissance de dendrites. Les batteries comportant des couches d'aluminium et de tungstène présentaient, quant à elles, une surface lisse et continue.

Lors de la première expérience, un courant électrique constant a été appliqué à chaque batterie pendant 24 heures. La batterie sans couche métallique a subi un court-circuit et est tombée en panne au bout de 9 heures, probablement en raison de la formation de dendrites. Aucune des deux batteries, qu'elles contiennent de l'aluminium ou du tungstène, n'a présenté de défaillance lors de cette première expérience.

Afin de déterminer quelle couche métallique était la plus efficace pour inhiber la croissance des dendrites, une autre expérience a été menée uniquement sur les échantillons de couches d'aluminium et de tungstène. Dans cette expérience, les batteries ont été soumises à des cycles de charge/décharge avec des densités de courant croissantes, en partant du courant utilisé lors de l'expérience précédente et en augmentant légèrement à chaque étape.

On a supposé que la densité de courant à laquelle la batterie s'est court-circuitée correspondait à la densité de courant critique pour la croissance des dendrites. La batterie avec une couche d'aluminium a cessé de fonctionner à trois fois le courant initial, tandis que celle avec une couche de tungstène a cessé de fonctionner à plus de cinq fois le courant initial. Cette expérience démontre la supériorité du tungstène sur l'aluminium.

Les scientifiques ont de nouveau utilisé un microscope électronique à balayage pour examiner l'interface entre l'anode et l'électrolyte. Ils ont observé que des vides commençaient à se former dans la couche métallique aux deux tiers des densités de courant critique mesurées lors de l'expérience précédente. En revanche, aucun vide n'était présent au tiers de la densité de courant critique. Ceci a confirmé que la formation de vides précède bien la croissance des dendrites.

Les scientifiques ont ensuite effectué des calculs informatiques pour comprendre comment le lithium interagit avec ces métaux, en s'appuyant sur nos connaissances concernant la réaction du tungstène et de l'aluminium aux variations d'énergie et de température. Ils ont démontré que les couches d'aluminium présentent effectivement une plus grande probabilité de formation de cavités lorsqu'elles interagissent avec le lithium. Ces calculs faciliteraient le choix d'un autre métal à tester ultérieurement.

Cette étude a démontré 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 montré que le choix d'un métal plutôt qu'un autre, en l'occurrence le tungstène au lieu de l'aluminium, permet d'allonger encore la durée de vie des batteries. L'amélioration des performances de ce type de batteries les rapprochera du remplacement des batteries à électrolyte liquide, hautement inflammables, actuellement disponibles sur le marché.