Andreas Lorenz-Meyer
Des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer PSI ont réalisé une percée sur la voie de l’application pratique des batteries tout solide au lithium métal – la prochaine génération de batteries capable de stocker plus d’énergie, plus sûres et se rechargeant plus vite que les batteries lithium-ion classiques.
Les batteries tout solide sont considérées comme une solution prometteuse pour l’électromobilité, l’électronique mobile et le stockage stationnaire d’énergie – en partie parce qu’elles ne nécessitent pas d’électrolytes liquides inflammables et sont donc intrinsèquement plus sûres que les batteries lithium-ion classiques.
Cependant, deux problèmes majeurs font obstacle à leur mise sur le marché : d’une part, la formation de dendrites de lithium à l’anode reste un point critique. Il s’agit de minuscules structures métalliques en forme d’aiguilles qui peuvent pénétrer l’électrolyte solide conduisant les ions lithium entre les électrodes, se propager vers la cathode et finalement provoquer des courts-circuits internes. D’autre part, une instabilité électrochimique – à l’interface entre l’anode de lithium métal et l’électrolyte solide – peut altérer les performances et la fiabilité à long terme de la batterie.
Pour surmonter ces deux obstacles, l’équipe dirigée par Mario El Kazzi, responsable du groupe Matériaux et Diagnostics des batteries à l’Institut Paul Scherrer PSI, a développé un nouveau procédé de fabrication : « Nous avons combiné deux approches qui, ensemble, densifient l’électrolyte et stabilisent l’interface avec le lithium », explique le scientifique. L’équipe a publié ces résultats dans la revue Advanced Science.
Le problème de la densification
Au cœur de l’étude du PSI se trouve l’argyrodite de type Li₆PS₅Cl (LPSCl), un électrolyte solide à base de sulfure composé de lithium, de phosphore et de soufre. Ce minéral présente une conductivité ionique du lithium élevée, permettant un transport rapide des ions au sein de la batterie – une condition préalable cruciale pour des performances élevées et des processus de charge efficaces. Cela rend les électrolytes à base d’argyrodite des candidats prometteurs pour les batteries à l’état solide. Jusqu’à présent, cependant, leur mise en œuvre a été entravée par la difficulté de densifier suffisamment le matériau pour empêcher la formation de vides que les dendrites de lithium pourraient pénétrer.
Pour densifier l’électrolyte solide, les groupes de recherche ont eu recours à l’une des deux approches suivantes : appliquer une pression très élevée pour comprimer le matériau à température ambiante, ou utiliser des procédés combinant pression et températures dépassant 400 degrés Celsius. Dans cette dernière approche, connue sous le nom de frittage classique, l’application de chaleur et de pression provoque la fusion des particules en une structure plus dense.
Les deux méthodes, cependant, peuvent entraîner des effets secondaires indésirables : la compression à température ambiante est insuffisante car elle entraîne une microstructure poreuse et une croissance excessive des grains. Le traitement à très haute température, quant à lui, comporte le risque de dégrader l’électrolyte solide. C’est pourquoi les chercheurs du PSI ont dû poursuivre une nouvelle approche pour obtenir un électrolyte robuste et une interface stable.
L’astuce de la température
Pour densifier l’argyrodite en un électrolyte homogène, El Kazzi et son équipe ont bien incorporé le facteur température, mais de manière plus prudente : au lieu du processus de frittage classique, ils ont choisi une approche plus douce dans laquelle le minéral était comprimé sous une pression modérée et à une température modérée d’environ 80 degrés Celsius seulement. Ce frittage doux s’est avéré réussi : la chaleur et la pression modérées ont assuré que les particules s’arrangeaient comme souhaité sans altérer la stabilité chimique du matériau. Les particules du minéral ont formé des liens étroits entre elles, les zones poreuses sont devenues plus compactes et les petites cavités se sont refermées. Le résultat est une microstructure compacte et dense, résistante à la pénétration des dendrites de lithium. Sous cette forme, l’électrolyte solide est déjà idéalement adapté au transport rapide des ions lithium.
Cependant, le frittage doux seul n’était pas suffisant. Pour garantir un fonctionnement fiable même à des densités de courant élevées, comme celles rencontrées lors des charges et décharges rapides, la cellule tout solide nécessitait une modification supplémentaire. À cette fin, un revêtement de fluorure de lithium (LiF), d’une épaisseur de seulement 65 nanomètres, a été évaporé sous vide et appliqué uniformément sur la surface du lithium – servant de couche de passivation ultra-mince à l’interface entre l’anode et l’électrolyte solide.
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Cette couche intermédiaire remplit une double fonction : d’une part, elle empêche la décomposition électrochimique de l’électrolyte solide au contact du lithium, supprimant ainsi la formation de lithium « mort », inactif. D’autre part, elle agit comme une barrière physique, empêchant la pénétration des dendrites de lithium dans l’électrolyte solide.
Meilleurs résultats après 1 500 cycles
Lors de tests en laboratoire avec des piles bouton, la batterie a démontré des performances extraordinaires dans des conditions exigeantes.
« Sa stabilité cyclique à haute tension était remarquable », explique le doctorant Jinsong Zhang, auteur principal de l’étude. Après 1 500 cycles de charge et de décharge, la cellule conservait encore environ 75 % de sa capacité initiale. Cela signifie que les trois quarts des ions lithium migraient toujours de la cathode vers l’anode. « Un résultat exceptionnel. Ces valeurs figurent parmi les meilleures rapportées à ce jour. »
Jinsong Zhang voit donc une bonne chance que les batteries tout solide puissent bientôt surpasser les batteries lithium-ion classiques avec électrolyte liquide en termes de densité énergétique et de durabilité.
Ainsi, El Kazzi et son équipe ont démontré pour la première fois que la combinaison du frittage doux de l’électrolyte solide et d’une fine couche de passivation sur l’anode de lithium supprime efficacement à la fois la formation de dendrites et l’instabilité interfaciale – deux des défis les plus persistants des batteries tout solide. Cette solution combinée marque une avancée importante pour la recherche sur les batteries tout solide – notamment parce qu’elle offre des avantages écologiques et économiques : en raison des basses températures, le procédé économise de l’énergie et donc des coûts.
« Notre approche est une solution pratique pour la production industrielle de batteries tout solide à base d’argyrodite », déclare El Kazzi. « Quelques ajustements supplémentaires – et nous pourrions nous lancer. »
Article : Synergistic Effects of Solid Electrolyte Mild Sintering and Lithium Surface Passivation for Enhanced Lithium Metal Cycling in All-Solid-State Batteries – Journal : Advanced Science – DOI : Lien vers l’étude
Source : Paul Scherrer Institute
