Les batteries à l’état solide présentent des avantages significatifs en termes de capacité de stockage d’énergie et de sécurité par rapport aux batteries utilisant des électrolytes liquides. En revanche, leur durée de vie reste limitée, et leur capacité diminue à chaque cycle de charge.
Une équipe de chercheurs de l’HZB et de l’Université Justus-Liebig de Giessen a mis au point une nouvelle méthode pour surveiller précisément les réactions électrochimiques pendant le fonctionnement d’une batterie à l’état solide, en utilisant la spectroscopie de photoélectrons à BESSY II. Les résultats obtenus permettent d’améliorer les matériaux et la conception des batteries.
Les batteries à l’état solide utilisent un conducteur ionique solide entre les électrodes de la batterie au lieu d’un électrolyte liquide, ce qui permet le transport du lithium lors de la charge et de la décharge. Cela présente des avantages, notamment une sécurité accrue pendant le fonctionnement et une capacité généralement plus élevée.
La durée de vie des batteries à l’état solide reste encore limitée. Des produits de décomposition et des interphases se forment aux interfaces entre l’électrolyte et l’électrode, ce qui entrave le transport des ions lithium et conduit à une consommation de lithium actif, réduisant ainsi la capacité des batteries à chaque cycle de charge.
Que se passe-t-il pendant le fonctionnement ?
Une équipe dirigée par les chercheurs de l’HZB, Dr. Elmar Kataev et Prof. Marcus Bär, a développé une nouvelle approche pour analyser les réactions électrochimiques à l’interface entre l’électrolyte solide et l’électrode avec une haute résolution temporelle. Elmar Kataev explique la question de recherche : «Dans quelles conditions et à quelle tension ces réactions se produisent-elles, et comment la composition chimique de ces phases intermédiaires évolue-t-elle pendant le fonctionnement de la cellule ?»
Pour l’étude, des échantillons de l’électrolyte solide Li6PS5Cl, un matériau considéré comme le meilleur candidat pour les batteries à l’état solide en raison de sa haute conductivité ionique, ont été analysés. Une couche extrêmement fine de nickel (30 couches atomiques ou 6 nanomètres) a servi d’électrode de travail. Un film de lithium a été pressé sur l’autre côté de la pastille de Li6PS5Cl pour agir comme contre-électrode.
Spectroscopie de photoélectrons à rayons X durs (HAXPES)
Pour analyser les réactions interfaciales et la formation d’une couche intermédiaire (SEI) en temps réel et en fonction de la tension appliquée, Elmar Kataev a utilisé la méthode de la spectroscopie de photoélectrons à rayons X durs (HAXPES) en exploitant les capacités analytiques du laboratoire Energy Materials In-situ Laboratory Berlin (EMIL) à BESSY II.
Les rayons X frappent l’échantillon, excitant les atomes, et les produits de réaction peuvent être identifiés à partir des photoélectrons émis en fonction de la tension appliquée et du temps. Les résultats ont montré que les réactions de décomposition étaient seulement partiellement réversibles.
«Nous démontrons qu’il est possible d’utiliser un collecteur de courant ultra-fin pour étudier les réactions électrochimiques aux interfaces enfouies en utilisant des méthodes de caractérisation de surface,» précise Elmar Kataev. L’équipe de l’HZB a déjà reçu des demandes de groupes de recherche en Allemagne et à l’étranger, également intéressés par cette approche de caractérisation.
La prochaine étape pour l’équipe de l’HZB consiste à étendre cette approche et à examiner également les batteries avec des électrolytes polymères composites et une variété de matériaux d’anode et de cathode.
Article : « Operando Photoelectron Spectroscopy Analysis of Li6PS5Cl Electrochemical Decomposition Reactions in Solid-State Batteries » – DOI: 10.1021/acsenergylett.4c01072
