Ces batteries lithium-métal à état solide peuvent fournir une interface stable pour un fonctionnement à haute tension.
Alors que les véhicules électriques deviennent de plus en plus courants, les limites de la technologie actuelle des batteries lithium-ion sont devenues plus évidentes. Des problèmes tels que l’autonomie limitée, les temps de charge lents et les préoccupations concernant la sécurité des batteries, en particulier le risque d’incendie, ont stimulé la recherche de technologies de batterie alternatives.
Les batteries à état solide, avec leur potentiel pour une densité énergétique plus élevée et une sécurité améliorée, ont émergé comme une solution prometteuse pour relever ces défis. En remplaçant les électrolytes liquides par des électrolytes solides, ces batteries fonctionnent à des tensions plus élevées, réduisant ainsi les risques de sécurité associés aux batteries lithium-ion.
Des chercheurs de l’Université McGill ont réalisé une avancée dans le développement d’un électrolyte à état solide qui pourrait mener à des batteries plus sûres et ayant une durée de vie prolongée.
Batteries à état solide pour les véhicules électriques. Adapté d’images utilisées avec l’aimable autorisation de Canva et Adobe Stock
Défi de la résistance interfaciale dans les batteries à état solide
L’expansion rapide des véhicules électriques alimentés par des batteries lithium-ion nécessite des améliorations de la densité énergétique et de la sécurité en remplaçant les anodes en graphite par des anodes en lithium-métal. Cependant, le lithium-métal est électrochimiquement instable lorsqu’il est en contact avec des électrolytes liquides organiques et sujet à la formation de dendrites de lithium durant les cycles de plaquage-dépouillement Li+/Li, ce qui peut percer le séparateur et entraîner des risques pour la sécurité.
Les électrolytes à état solide offrent une solution en permettant l’utilisation sécurisée des anodes en lithium-métal. Cependant, la haute résistance interfaciale entre l’électrolyte solide céramique et les électrodes de la batterie constitue un obstacle.
Interfaces de batteries lithium-ion et à état solide. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Kartini et Genardy
La résistance interfaciale dans les batteries est l’impédance à l’interface entre deux matériaux différents, généralement l’électrode et l’électrolyte. Elle provient d’une conductivité ionique médiocre ou d’un contact physique insuffisant à l’interface, entravant le transport fluide des ions à travers la frontière et affectant le transfert d’énergie.
Bien que plus stable et plus sûre, l’électrolyte céramique solide possède une structure rigide qui ne permet pas naturellement un transport aisé des ions lithium en contact avec les électrodes. Avec le temps, cette résistance peut entraîner une perte de capacité. De plus, à mesure que les niveaux de tension augmentent, l’interface instable entre l’électrolyte solide et les électrodes peut se dégrader, entraînant d’autres problèmes de performance tels que fuites d’énergie et défaillance structurelle.
Ce problème et les difficultés de fabrication liées à la création d’une interface uniformément lisse ont été des obstacles significatifs à l’avancement des batteries à état solide commerciales.
Surmonter la résistance interfaciale
Les chercheurs ont introduit un nouveau design pour les batteries lithium à état solide, en se concentrant sur la résolution des problèmes de haute résistance interfaciale.
L’équipe a utilisé une membrane céramique poreuse au lieu de la plaque dense conventionnelle et a rempli les pores avec une petite quantité de polymère. La membrane permet une conductivité ionique tout en maintenant une stabilité structurelle. Ce design permet aux ions lithium de se déplacer plus librement, permettant ainsi un fonctionnement stable à haute tension.
Formation d’une interface stable entre l’électrolyte et l’électrode. Image avec l’aimable autorisation de Wang et al.
Les électrolytes à état solide sont généralement classés en céramique, polymère et composite. Les SE céramiques offrent généralement une conductivité ionique élevée à température ambiante, une excellente stabilité électrochimique et des propriétés mécaniques solides. Parmi eux, les SE de type grenat cubique sont particulièrement prometteurs, avec des conductivités ioniques d’environ 1 mS/cm et une stabilité robuste face au lithium-métal. Cependant, ces SE de type grenat souffrent d’un mauvais contact avec les électrodes, entraînant une haute résistance interfaciale.
L’équipe de recherche a développé une batterie lithium-métal à état solide de 4,8 V utilisant un électrolyte solide composite (CSE) basé sur du grenat hautement conducteur pour résoudre le problème persistant de la haute résistance interfaciale et du mauvais mouillage entre les électrolytes céramiques et les électrodes. Les chercheurs ont conçu un CSE utilisant un cadre cubique Li6.1Al0.3La3Zr2O12 (LLZO) infiltré avec du fluorure de polyvinylidène (PVDF), qui a montré une conductivité ionique élevée de 0,437 mS/cm et un nombre de transfert de lithium de 0,72 à 25 °C. Avec une porosité de 45,74 %, le cadre grenat a fourni des canaux continus conducteurs d’ions, réduisant ainsi la résistance interfaciale et permettant une migration efficace des ions lithium. La fenêtre électrochimique du matériau s’étend jusqu’à 5,08 V, le rendant adapté aux applications à haute tension.
Perspectives d’avenir
Alors que les véhicules électriques continuent de façonner l’avenir des transports, les avancées dans la technologie des batteries à état solide offrent un potentiel immense pour redéfinir le stockage d’énergie. En abordant des problèmes tels que la sécurité et la densité énergétique, cette innovation en matière de batterie pourrait significativement étendre la durée de vie et les performances des véhicules électriques.