Effets de la pression dans les batteries au lithium métallique : Optimisation des performances par la conception des dispositifs de serrage

Contexte académique

Avec le développement rapide des véhicules électriques (VE) et des énergies renouvelables, la demande de batteries à haute densité énergétique ne cesse de croître. Les batteries au lithium métallique, en raison de leur capacité théorique élevée (3860 mAh/g) et de leur faible potentiel d’électrode (-3,04 V vs. SHE), sont considérées comme un candidat prometteur pour la prochaine génération de technologies de batteries. Cependant, la commercialisation des batteries au lithium métallique est confrontée à plusieurs défis, notamment la croissance de dendrites de lithium, la formation non uniforme de l’interface électrolyte solide (SEI) et la consommation d’électrolyte. Ces problèmes sont particulièrement prononcés dans les batteries de grande taille, entraînant une dégradation de la durée de vie et de la sécurité des batteries.

Pour résoudre ces problèmes, les chercheurs ont commencé à explorer l’impact de la pression externe sur les performances des batteries au lithium métallique. La pression externe peut améliorer le dépôt/le décapage uniforme du lithium, réduire la croissance des dendrites de lithium et améliorer la mouillabilité de l’électrolyte. Cependant, les effets spécifiques de différentes conceptions de dispositifs de serrage sur les performances des batteries n’ont pas encore été systématiquement étudiés. Cet article explore en profondeur l’influence de différentes pressions et conceptions de dispositifs de serrage sur les performances des batteries au lithium métallique, en révélant leurs mécanismes de défaillance.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Corey M. Efaw, Zihan Wang (王子涵), Hongxing Zhang (张红星) et plusieurs autres auteurs. L’équipe de recherche provient de plusieurs institutions de renom, notamment l’Idaho National Laboratory, le Brookhaven National Laboratory et l’Université du Connecticut. L’article a été publié le 18 avril 2025 dans la revue Device, avec le DOI 10.1016/j.device.2024.100660.

Processus et méthodes de recherche

1. Conception de l’étude

Cette étude utilise des cellules à poche monocouche lithium métallique/oxyde de nickel-manganèse-cobalt (Li-NMC811) comme objet de recherche, en explorant l’impact de différentes pressions initiales (2 psi, 10 psi, 30 psi) et conceptions de dispositifs de serrage sur les performances des batteries. Les conceptions de dispositifs de serrage incluent principalement l’espacement constant (Constant Gap, CG) et la pression constante (Constant Pressure, CP), avec l’ajout de mousse flexible (Foam) comme matériau d’interface dans la conception CG.

2. Méthodes expérimentales

• Assemblage des batteries : Utilisation de NMC811 monocouche comme cathode, une feuille de lithium de 50 µm comme anode et Celgard 2325 comme séparateur. Les cellules sont assemblées dans une boîte à gants et remplies d’un électrolyte à haute concentration localisée (LHCE) composé de LiFSI, DME et TTE.
• Conception des dispositifs de serrage :
  • Dispositif CG : Fixé par des vis pour maintenir un espacement constant entre les plaques supérieure et inférieure.
  • Dispositif CP : Utilisation de ressorts pour maintenir la pression, permettant d’ajuster l’espacement lors de l’expansion de la cellule.
  • Dispositif CG+Foam : Ajout d’une couche de mousse flexible à la conception CG pour une distribution uniforme de la pression.
• Tests électrochimiques : Les cellules sont cyclées dans une plage de tension de 2,8 à 4,4 V à 25°C. Les tests incluent deux cycles de formation suivis de cycles de vieillissement, en enregistrant la capacité, la tension et les variations de pression.
• Surveillance de la pression : Utilisation de capteurs de pression installés sur les cellules pour surveiller en temps réel les variations de pression.
• Analyse post-mortem : Analyse morphologique et compositionnelle des électrodes par microscopie électronique à balayage (SEM), spectroscopie photoélectronique X (XPS) et diffraction des rayons X par rayonnement synchrotron (XRD).

3. Analyse des données

Analyse électrochimique (telles que les courbes de capacité différentielle dq/dv et de pression différentielle dp/dv) et simulations par analyse par éléments finis (FEA) pour étudier la distribution des contraintes et les mécanismes de défaillance des cellules sous différentes conceptions de dispositifs de serrage.

Principaux résultats

1. Comparaison des dispositifs d’espacement constant (CG) et de pression constante (CP)

• Performances cycliques : À une pression initiale de 10 psi, les cellules avec dispositif CG montrent une meilleure rétention de capacité, tandis que celles avec dispositif CP connaissent une forte dégradation de capacité. Les cellules CG conservent plus de 80 % de leur capacité après 250 cycles, tandis que les cellules CP voient leur capacité diminuer significativement après 100 cycles.
• Variations de pression : Les cellules CG montrent une plus grande variation de pression, reflétant les changements d’épaisseur de l’anode en lithium métallique. Les cellules CP montrent de plus faibles variations de pression, permettant une expansion importante de la cellule.
• Mécanismes de défaillance : La défaillance des cellules CG est principalement due à une augmentation de la résistance interne, tandis que celle des cellules CP est causée par la croissance rapide de dendrites de lithium et la formation non uniforme de la SEI.

2. Introduction de la mousse flexible

• À basse pression (10 psi) : Le dispositif CG+Foam améliore significativement la durée de vie des cellules, atteignant plus de 200 cycles. La mousse flexible atténue efficacement les contraintes locales, améliorant le dépôt uniforme du lithium.
• À haute pression (30 psi) : Le dispositif CG+Foam se comporte nettement moins bien que le dispositif CG, avec une durée de vie inférieure à 100 cycles. À haute pression, la mousse flexible crée des points chauds locaux, accélérant la consommation d’électrolyte et l’endommagement des particules de cathode.

3. Simulation de la distribution des contraintes

L’analyse par éléments finis montre que le dispositif CG+Foam crée des zones de contrainte élevée à haute pression, qui deviennent des points chauds pour la croissance de dendrites de lithium et entraînent un épuisement local de l’électrolyte. À basse pression, la mousse flexible répartit uniformément la pression, prolongeant la durée de vie des cellules.

Conclusions et perspectives

Cette étude explore systématiquement l’impact de différentes conceptions de dispositifs de serrage et de pressions externes sur les performances des batteries au lithium métallique, en tirant les conclusions suivantes :

1. Les dispositifs CG sont supérieurs aux dispositifs CP : À haute pression, ils suppriment efficacement la croissance de dendrites de lithium, prolongeant la durée de vie des cellules.
2. Applicabilité de la mousse flexible : À basse pression, la mousse flexible améliore les performances des cellules, mais à haute pression, elle crée des points chauds locaux, accélérant la défaillance des cellules.
3. Dépendance à la pression : La conception des dispositifs de serrage doit être ajustée en fonction de la plage de pression de l’application pour optimiser les performances des cellules.

Cette étude fournit des conseils importants pour la conception de dispositifs de serrage pour les batteries au lithium métallique à haute pression et offre des références pour l’optimisation d’autres électrodes à fort changement de volume (comme les anodes en silicium). À l’avenir, les chercheurs exploreront davantage l’impact des matériaux intercouches dans les cellules à poche multicouches pour promouvoir l’application à grande échelle des batteries à haute densité énergétique.

Points forts de la recherche

1. Étude systématique : Première étude systématique sur l’impact des différentes conceptions de dispositifs de serrage et de la pression sur les performances des batteries au lithium métallique, comblant une lacune dans ce domaine.
2. Combinaison de technologies : Utilisation de l’analyse électrochimique, de la surveillance de la pression et des techniques d’analyse post-mortem pour révéler de manière exhaustive les mécanismes de défaillance des batteries.
3. Valeur pratique : Les résultats de cette étude fournissent des conseils importants pour la conception de dispositifs de serrage pour les batteries au lithium métallique, favorisant leur application à grande échelle.

Grâce à l’exploration approfondie de cette étude, il est possible de développer à l’avenir des batteries au lithium métallique plus efficaces et plus sûres, offrant un soutien puissant au domaine des véhicules électriques et des énergies renouvelables.