Les batteries à électrolyte solide pourraient stocker davantage d’énergie tout en réduisant certains risques d’incendie. Pourtant, leur développement reste limité par des courts-circuits internes.
Une équipe du MIT et de l’Université technique de Munich vient d’identifier le mécanisme qui explique ce problème, et a trouvé une solution pour le résoudre.
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Dans ces batteries, l’électrolyte liquide des modèles classiques est remplacé par un matériau solide. Celui-ci conduit les ions lithium entre les électrodes. Il doit aussi empêcher le passage direct des électrons, afin d’éviter une réaction incontrôlée.
L’électrolyte solide n’est toutefois pas constitué d’un bloc parfaitement uniforme. Il rassemble de nombreux cristaux microscopiques, appelés grains. Les zones où ces cristaux se rencontrent forment des frontières particulières, dont les propriétés diffèrent de celles des grains.
Les chercheurs ont étudié ces frontières dans un électrolyte courant, composé de lithium, de lanthane, de zirconium et d’oxygène. Leurs analyses ont révélé des déséquilibres électriques locaux. Ces charges créent des champs qui ralentissent les ions lithium et favorisent l’accumulation d’électrons.
Dans ces conditions, certains ions lithium peuvent se transformer en lithium métallique. De petits dépôts apparaissent alors le long des frontières entre les cristaux. Ils peuvent progressivement former des structures ramifiées, connues sous le nom de dendrites.
Ces dendrites perturbent le fonctionnement de la batterie et peuvent finir par traverser l’électrolyte. Elles établissent alors une connexion directe entre les électrodes. Ce court-circuit réduit la durée de vie de la cellule et peut compromettre sa sécurité.
Les scientifiques ont ensuite modifié les conditions de fabrication de l’électrolyte. Cette intervention a réduit les charges négatives présentes aux frontières. Les ions ont ainsi circulé plus facilement, tandis que les fuites d’électrons ont diminué.
L’électrolyte modifié a supporté une densité de courant critique supérieure de plus de 300 % à celle d’un échantillon de référence. Ce résultat pourrait permettre des charges plus rapides et retarder les courts-circuits.