Des chercheurs de l’université Dongguk, à Séoul, ont conçu une batterie tout solide en couches minces, dite « sans anode », de seulement 2,77 micromètres d’épaisseur. Une couche intermédiaire d’étain et de carbone guide le dépôt du lithium et limite ses pertes au fil des cycles. Selon l’université, la cellule a atteint une densité d’énergie volumique de 235,13 Wh/L à son 100ᵉ cycle, à un régime lent de 0,01 C.
Leurs travaux pourraient déboucher sur des sources d’énergie ultrafines pour l’électronique portable, les capteurs et les implants médicaux. L’équipe est dirigée par Hyun-Suk Kim, professeur au département d’ingénierie de l’énergie et des matériaux.
Guider le dépôt du lithium pour éviter les pertes
Dans une batterie sans anode, le lithium provenant de la cathode se dépose sur le collecteur de courant lors de la première charge ; l’anode se forme ainsi sur place. Cette architecture permet d’augmenter la densité énergétique et simplifier la fabrication des cellules en couches minces. Elle reste toutefois vulnérable aux dépôts irréguliers, à la formation de lithium « mort », isolé électriquement, et à la perte de contact avec l’électrolyte solide. Ces phénomènes réduisent la quantité de lithium disponible et, avec elle, la capacité de la batterie.
L’équipe a comparé plusieurs revêtements du collecteur de courant, allant du carbone seul aux bicouches métal/carbone à base d’or, d’argent, de zinc, d’aluminium ou d’étain. Selon le résumé de l’article, l’association étain/carbone donne les meilleurs résultats, avec la plus faible surtension de nucléation, une hystérésis de tension réduite et le dépôt de lithium le plus uniforme.
Les deux couches remplissent des fonctions distinctes. L’étain abaisse la barrière énergétique nécessaire à la nucléation du lithium, c’est-à-dire à l’apparition des premiers germes de dépôt. Le carbone placé en surface aide ensuite à réguler leur croissance.
« Notre couche intermédiaire sert de germe pour la nucléation du lithium : elle favorise un dépôt uniforme, réduit les pertes de lithium et améliore la réversibilité des cycles répétés de charge et de décharge », a déclaré Kim dans le communiqué de l’université.
Une réserve de lithium pour compenser les pertes initiales
Les chercheurs ont aussi introduit une étape de « prélithiation ». Après avoir revêtu le collecteur de cuivre d’étain et de carbone, ils y ont déposé une fine couche de lithium métallique. Cette réserve compense les pertes de lithium des premiers cycles.
Lors du premier dépôt de lithium, une région tridimensionnelle contenant de l’étain et un alliage lithium-étain s’est formée dans la couche intermédiaire. Selon les chercheurs, cette structure pourrait absorber les variations de volume et de forme au cours des cycles suivants et contribuer ainsi à préserver la stabilité de l’interface.
La cellule complète associe une cathode en oxyde de vanadium et de lithium à un électrolyte solide LiPON, ou oxynitrure de lithium et de phosphore. La cathode mesure à elle seule 2 micromètres d’épaisseur, précise l’article. La densité d’énergie annoncée par l’université ( 235,13 Wh/L au 100ᵉ cycle ) a été mesurée à 0,01 C : ce résultat est donc associé à un fonctionnement lent, et non à une charge rapide.
Des microdispositifs à l’ambition industrielle
La revue a mis ces travaux à la une de son numéro. Selon les auteurs, ils fournissent des lignes directrices pratiques pour choisir les couches intermédiaires des batteries en couches minces. Hyun-Suk Kim estime que la méthode pourrait aussi s’appliquer à des cellules de plus grande taille.
« Cette approche pourrait favoriser le développement de batteries ultrafines pour l’électronique portable, les capteurs IoT et les dispositifs médicaux, ainsi que de batteries tout solide sans anode, adaptables à l’échelle industrielle », a-t-il déclaré.
Article : « Pushing Energy Density Limits: Anode-Less Solid-State Battery Integrated with Amorphous Lithium Vanadium Oxide Thin-Film Cathode » – Journal: Advanced Energy Materials – DOI: 10.1002/aenm.71042
