Une stratégie pour concevoir une interface d'anode au lithium pour les batteries lithium-métal tout solide.

3 février 2024 fonctionnalité

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par Ingrid Fadelli , Tech Xplore

Au cours des dernières décennies, les ingénieurs et les chimistes travaillent à développer des technologies de batterie de plus en plus avancées qui pourraient contribuer à répondre aux demandes croissantes de l'industrie électronique. Cela a conduit à l'émergence de nouveaux types de batteries, y compris les batteries tout solides.

Les batteries tout solide (ASSB) sont des cellules de batterie qui comprennent un électrolyte solide situé entre deux électrodes. Ces batteries, en particulier les batteries lithium-métal tout solide (ASSLB), peuvent présenter des densités d'énergie élevées et une sécurité accrue, répondant ainsi à certaines des limitations des conceptions conventionnelles de batteries au lithium-ion (LiB).

Malgré leurs propriétés avantageuses, les ASSLB n'ont pas encore été déployées à grande échelle. Cela est en partie dû à la croissance des dendrites de lithium (Li) et à leur résistance d'interface élevée, qui peuvent considérablement compromettre leurs performances.

Récemment, des chercheurs de l'Université du Maryland ont présenté un nouveau principe de conception pour des ASSLB sûres et à haute énergie. Ce principe, exposé dans Nature Energy, pourrait aider à développer des piles à combustible plus puissantes et fiables pour les véhicules électriques et les grands systèmes robotiques.

« Les efforts actuels pour résoudre le problème des dendrites de lithium des batteries tout solides reposent sur des expériences d'essais et d'erreurs », a déclaré Zeyi Wang, premier auteur de l'article, à Tech Xplore. « Au lieu de simplement rapporter une seule intercouche, cet article vise à développer un principe de conception d'interface qui peut guider la fabrication d'une série d'intercouches. C'est une façon de résoudre complètement le problème des dendrites de lithium dans les batteries tout solides. »

L'objectif principal des travaux récents de Wang et de ses collègues était d'identifier une stratégie prometteuse pour atténuer la croissance des dendrites de Li dans les ASSLB. Pour cela, l'équipe a proposé l'introduction d'une couche spéciale entre l'anode au lithium et l'électrolyte solide des cellules de batterie.

« L'ajout d'une couche spéciale entre l'anode au lithium et l'électrolyte solide peut potentiellement résoudre les problèmes de dendrites de lithium, mais les propriétés de l'intercouche sont d'une importance capitale pour y parvenir », a expliqué Wang. « Notre principe de conception relie la stabilité de la batterie à plusieurs propriétés clés de l'intercouche. Plus précisément, il souligne que l'intercouche doit être lithiophobe (c'est-à-dire repoussée par le métal de lithium), hautement conductrice ioniq ue et légèrement conductrice électronique et poreuse. »

Dans le cadre de leur étude, les chercheurs ont utilisé leur principe de conception pour créer une cellule de batterie [email protected]/Li6PS5Cl/20 µm-Li avec une capacité de surface de 2,2 mAh cm-2. Lors des tests initiaux, ces cellules de batterie se sont révélées remarquablement performantes, conservant 82,4 % de leur capacité après 350 cycles de fonctionnement à 60°C à un taux de 0,5 C.

« Alors que les études précédentes ont introduit de nombreuses interfaces pour la suppression des dendrites de lithium, leur mécanisme sous-jacent n'a pas été clairement expliqué et la conception ne peut pas être généralisée », a déclaré Wang. « Le succès de notre principe de conception réside dans le fait qu'il ouvre de nouvelles opportunités pour développer des batteries sûres. »

Notamment, le principe de conception introduit par Wang et ses collègues pourrait être appliqué à un large éventail d'ASSB, contribuant à supprimer la formation de dendrites de Li et améliorant ainsi les performances de la batterie. Par conséquent, il pourrait bientôt ouvrir la voie au développement d'une large gamme de technologies de batterie sûres et hautement performantes contenant des électrolytes solides, qui pourraient alimenter des véhicules électriques et d'autres appareils électroniques de grande taille.

« Dans nos prochaines études, nous testerons plus d'interfaces pour modifier et vérifier le principe de conception », a ajouté Wang. « Nous optimiserons ensuite les matériaux de l'interface en fonction des principes de conception. Nous prévoyons de passer à une production à plus grande échelle et de tester finalement le dispositif sur des véhicules à l'avenir. »

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