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La RMN expose les problèmes des batteries au lithium

Les batteries au lithium avec une densité d'énergie très élevée pourraient accélérer l'énergie renouvelable et les transports verts s'il n'y avait pas le problème des dendrites. Des scientifiques financés par l'UE ont toutefois utilisé la résonance magnétique nucléaire (RMN) pour identifier les conditions qui conduisent à la formation et à la croissance de dendrites et cibler les solutions possible pour éviter le problème.
La RMN expose les problèmes des batteries au lithium
Contrairement aux batteries au lithium ou au sodium-ion que l'on retrouve généralement dans le stockage distribué, les véhicules électriques sont des appareils portables avec une électrode de métal et ne sont pas encore rechargeables. Pendant la charge, de fines structures métalliques, appelées dendrites, poussent de la surface des électrodes et se diffusent dans l'électrolyte jusqu'à atteindre la contre-électrode. Leur formation peut poser un risque pour la sécurité de la batterie, entraînant sa surchauffe, pouvant même provoquer une inflammation.

Dans le cadre du projet BATTINSITU (In-situ nuclear magnetic resonance investigation of the critical failure mechanism of lithium batteries: toward safer, highly reliable and energy dense storage), les scientifiques ont appliqué avec succès des méthodes in situ pour évaluer la nature du lithium métallique développé sur les anodes de lithium-métal.

Grâce à la spectroscopie RMN, l'équipe du projet a étudié l'impact que différents électrolytes de lithium et matériaux séparateurs peuvent avoir sur la morphologie de la dendrite. Contrairement aux électrolytes au carbonate généralement utilisés, les électrolytes ioniques liquides provoquaient une distribution des dendrites clairsemée, principalement en raison du fait que le transport des ions vers l'électrode est plus court. Sauf si l'électrode était entièrement encapsulée, les dendrites se formaient autour des bords des disques séparateurs pour tous les matériaux séparateurs testés.

Pour la première fois, les scientifiques appliquaient la RMN pour obtenir des informations quantitatives à résolution temporelle sur les batteries au sodium – candidats intéressants pour remplacer les batteries au lithium en raison de l'abondance de sodium. L'équipe a à nouveau signalé la formation de dendrites de sodium; les dépôts métalliques de sodium avec une très grande surface continuaient de s'accumuler même lors de la charge avec de faibles courants. Après avoir inversé la direction du courant et chargé avec des courants plus élevés, l'équipe a constaté que les dépôts métalliques ne pouvaient pas être efficacement éliminés des électrodes avec le temps. Les ions de sodium ont également présenté une mobilité étonnamment élevée largement supérieure aux ions de lithium dans le système de lithium analogue.

Grâce à cette méthode puissante, non invasive et in situ, la RMN, les scientifiques ont acquis un aperçu unique de l'intérieur des batteries au lithium et au sodium. La recherche représente le développement de solutions adéquates pour aider à passer de l'énergie non renouvelable à une énergie durable et plus sûre.

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Mots-clés

RMN, batteries au lithium, énergie renouvelable, sodium, dendrites