Les cristaux liquides comme électrolytes dans les batteries lithium-ion permettront-ils de créer des cellules lithium métal stables ?

Une étude intéressante de l'Université Carnegie Mellon. Les scientifiques ont proposé d'utiliser des cristaux liquides dans les cellules lithium-ion pour augmenter leur densité d'énergie, leur stabilité et leur capacité de charge. Les travaux n'ont pas encore avancé, nous attendrons donc au moins cinq ans pour leur achèvement - si possible.

Les cristaux liquides ont révolutionné les écrans, ils peuvent désormais aider les batteries

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• Les cristaux liquides ont révolutionné les écrans, ils peuvent désormais aider les batteries
  • Les cristaux liquides comme astuce pour obtenir un électrolyte liquide-solide

En bref : les fabricants de cellules lithium-ion cherchent actuellement à augmenter la densité énergétique des cellules tout en maintenant ou en améliorant les performances des cellules, y compris, par exemple, en améliorant la stabilité à des puissances de charge plus élevées. L'idée est de rendre les batteries plus légères, plus sûres et plus rapides à recharger. Un peu comme le triangle rapide-bon marché.

L'un des moyens d'augmenter considérablement l'énergie spécifique des cellules (de 1,5 à 3 fois) est l'utilisation d'anodes en lithium métal (Li-métal).... Pas du carbone ou du silicium, comme avant, mais du lithium, un élément directement responsable de la capacité de la cellule. Le problème est que cet arrangement développe rapidement des dendrites de lithium, des protubérances métalliques qui au fil du temps relient les deux électrodes, les endommageant.

Les cristaux liquides comme astuce pour obtenir un électrolyte liquide-solide

Des travaux sont actuellement en cours pour emballer des anodes dans divers matériaux afin de former une coque externe qui permet le flux d'ions lithium mais ne permet pas la croissance de structures solides. Une solution potentielle au problème est également l'utilisation d'un électrolyte solide - une paroi à travers laquelle les dendrites ne peuvent pas pénétrer.

Les scientifiques de l'Université Carnegie Mellon ont adopté une approche différente : ils veulent rester avec des électrolytes liquides éprouvés, mais basés sur des cristaux liquides. Les cristaux liquides sont des structures à mi-chemin entre le liquide et les cristaux, c'est-à-dire des solides à structure ordonnée. Les cristaux liquides sont liquides, mais leurs molécules sont très ordonnées (source).

Au niveau moléculaire, la structure d'un électrolyte à cristaux liquides n'est qu'une structure cristalline et bloque ainsi la croissance des dendrites. Cependant, nous avons toujours affaire à un liquide, c'est-à-dire une phase qui permet aux ions de circuler entre les électrodes. La croissance des dendrites est bloquée, les charges doivent s'écouler.

Ceci n'est pas mentionné dans l'étude, mais les cristaux liquides ont une autre caractéristique importante : une fois qu'une tension leur est appliquée, ils peuvent être disposés dans un certain ordre (comme vous pouvez le voir, par exemple, en regardant ces mots et la frontière entre le noir lettres et fond clair). Il peut donc arriver que lorsque la cellule commence à se charger, les molécules de cristaux liquides soient positionnées à un angle différent et « raclent » les dépôts dendritiques des électrodes.

Visuellement, cela ressemblera à la fermeture des volets, par exemple, dans le trou de ventilation.

L'inconvénient de la situation est que L'Université Carnegie Mellon vient de commencer des recherches sur de nouveaux électrolytes... On sait déjà que leur stabilité est inférieure à celle des électrolytes liquides classiques. La dégradation cellulaire se produit plus rapidement, et ce n'est pas la direction qui nous intéresse. Cependant, il est possible qu'avec le temps le problème se résolve. De plus, on ne s'attend pas à l'apparition de composés à l'état solide avant la seconde moitié de la décennie :

> LG Chem utilise des sulfures dans des cellules à l'état solide. Commercialisation des électrolytes solides au plus tôt en 2028

Photo d'introduction : Des dendrites de lithium se forment sur l'électrode d'une cellule lithium-ion microscopique. La grande figure sombre en haut est la deuxième électrode. La "bulle" initiale d'atomes de lithium jaillit à un moment donné, créant une "moustache" qui est à la base de la dendrite émergente (c) PNNL Unplugged / YouTube :

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