Percée dans les batteries à électrolyte solide
Une équipe de chercheurs de l’université du Tōhoku (Japon) et de l’institut japonais KEK (organisme de recherche en physique des hautes énergies) vient de créer un nouveau conducteur hybride au lithium, superionique et complexe. Il permettrait d'obtenir des batteries à électrolyte solide possédant une densité d'énergie jamais atteinte...
Une équipe de chercheurs de l’université du Tōhoku (Japon) et de l’institut japonais KEK (organisme de recherche en physique des hautes énergies) vient de créer un nouveau conducteur hybride au lithium, superionique et complexe. Il permettrait d'obtenir des batteries à électrolyte solide possédant une densité d'énergie jamais atteinte.
Obtenu à l'aide de structures d’anions hydrogène complexes possédant une haute stabilité par rapport au lithium métallique, ce matériau possède des propriétés idéales pour fabriquer l'anode d’une batterie à électrolyte solide. Les batteries rechargeables incorporant ce type d'anode permettraient d'obtenir des densités d'énergie très supérieures à celles des batteries lithium-ion classiques. Jusqu'ici, cependant, l'utilisation pratique a été limitée par la résistance élevée au transfert lithium-ion, principalement provoquée par l'instabilité de l'électrolyte solide contre le lithium métallique.
Cet électrolyte inédit offre à la fois une forte conductivité ionique et une grande stabilité vis-à-vis du lithium métallique, ce qui augure bien d'une réelle percée dans le développement de batteries à électrolyte solide incorporant une anode de lithium.
L'électrolyte solide lithium-ion est un composant essentiel d'une batterie de ce type. Ses propriétés déterminent la conductivité ionique et la stabilité de l'électrolyte, et influent de manière considérable sur les performances de la batterie. Jusqu'à une date récente, le principal problème de la plupart des électrolytes solides résidait dans leur instabilité chimique/électrochimique et/ou le mauvais contact physique avec le lithium métallique, source de réactions secondaires sur l'interface. En donnant naissance à des sous-produits, ces réactions font augmenter la résistance d’interface de la batterie, qui se dégrade ensuite de plus en plus au fil des cycles de charge.
Les tentatives précédentes de résoudre le problème en créant des alliages métalliques de lithium et en modifiant l'interface ont échoué, car le problème réside dans la forte réactivité thermodynamique de l'anode de lithium métallique avec l'électrolyte. Les principales difficultés que posent les anodes de lithium métallique sont la haute stabilité et la conductivité élevée de l'électrolyte solide.
En raison d'une faible conductivité ionique, l'association d'hybrides complexes avec des anodes de lithium métallique n'avait jamais été tentée jusqu'ici. Cependant, les hybrides complexes permettent d'obtenir une conductivité élevée des ions lithium à température ambiante. Les résultats de ces travaux ont été publiés sur le site de la revue Nature Communications dans un article intitulé « A Complex Hydride Lithium Super Ionic Conductor for High-Energy-Density All-Solid-State Lithium Metal Batteries ».
Obtenu à l'aide de structures d’anions hydrogène complexes possédant une haute stabilité par rapport au lithium métallique, ce matériau possède des propriétés idéales pour fabriquer l'anode d’une batterie à électrolyte solide. Les batteries rechargeables incorporant ce type d'anode permettraient d'obtenir des densités d'énergie très supérieures à celles des batteries lithium-ion classiques. Jusqu'ici, cependant, l'utilisation pratique a été limitée par la résistance élevée au transfert lithium-ion, principalement provoquée par l'instabilité de l'électrolyte solide contre le lithium métallique.
Cet électrolyte inédit offre à la fois une forte conductivité ionique et une grande stabilité vis-à-vis du lithium métallique, ce qui augure bien d'une réelle percée dans le développement de batteries à électrolyte solide incorporant une anode de lithium.
Contexte
Les batteries lithium-ion actuelles souffrent d'une densité d'énergie limitée et, en cas d'utilisation inappropriée, de fuites d'électrolyte, avec un risque d'incendie. En revanche, une batterie à électrolyte intégralement solide serait, pour l'avenir, une solution plus performante de stockage d'énergie. De tous les matériaux possibles pour fabriquer une anode, le lithium métallique est considéré comme idéal pour les batteries solides, car il bénéficie de la meilleure capacité théorique (3860 mAh g-1) et du potentiel le plus bas (-3,04 V) par rapport à l’électrode standard à hydrogène (ESH).L'électrolyte solide lithium-ion est un composant essentiel d'une batterie de ce type. Ses propriétés déterminent la conductivité ionique et la stabilité de l'électrolyte, et influent de manière considérable sur les performances de la batterie. Jusqu'à une date récente, le principal problème de la plupart des électrolytes solides résidait dans leur instabilité chimique/électrochimique et/ou le mauvais contact physique avec le lithium métallique, source de réactions secondaires sur l'interface. En donnant naissance à des sous-produits, ces réactions font augmenter la résistance d’interface de la batterie, qui se dégrade ensuite de plus en plus au fil des cycles de charge.
Les tentatives précédentes de résoudre le problème en créant des alliages métalliques de lithium et en modifiant l'interface ont échoué, car le problème réside dans la forte réactivité thermodynamique de l'anode de lithium métallique avec l'électrolyte. Les principales difficultés que posent les anodes de lithium métallique sont la haute stabilité et la conductivité élevée de l'électrolyte solide.
En raison d'une faible conductivité ionique, l'association d'hybrides complexes avec des anodes de lithium métallique n'avait jamais été tentée jusqu'ici. Cependant, les hybrides complexes permettent d'obtenir une conductivité élevée des ions lithium à température ambiante. Les résultats de ces travaux ont été publiés sur le site de la revue Nature Communications dans un article intitulé « A Complex Hydride Lithium Super Ionic Conductor for High-Energy-Density All-Solid-State Lithium Metal Batteries ».
