Les batteries au lithium solide : une alternative prometteuse ?

Les batteries lithium-ion sont actuellement l’étalon-or de la technologie des batteries, mais comme la demande de batteries sûres et efficaces augmente, les chercheurs s’empressent de trouver la prochaine étape.

Une batterie lithium-ion est en règle générale composée d’un électrolyte liquide et d’électrodes solides. Les électrodes sont faites de matériaux tels que le graphite et le lithium cobaltate, qui sont solides. L’électrolyte permettant le transport des ions lithium entre les électrodes, est quant à elle sous forme liquide.

Les batteries au lithium à l’état solide pourraient constituer une alternative à la technologie actuelle des batteries au lithium-ion, mais des améliorations de leur capacité sont nécessaires.

Une nouvelle étude dirigée par des chercheurs du Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology (QIBEBT) de l’Académie chinoise des sciences explique comment les revêtements cathodiques ferroélectriques augmentent la capacité des batteries au lithium à l’état solide.

L’étude a été publiée dans Advanced Functional Materials le 28 mars.

Les matériaux ferroélectriques possèdent un champ électrique intrinsèquement polarisé qui est largement utilisé pour accélérer la séparation et le transfert des charges dans de nombreux types de recherche électrochimique.

« Dans le domaine des batteries au lithium à l’état solide, il est largement admis que la polarisation ferroélectrique induit le champ électrique intégré à l’interface électrode/électrolytes à l’état solide, ce qui pourrait supprimer la couche de charge d’espace et stimuler le transport du lithium« , a déclaré le Dr LI Wenru, premier auteur de l’étude. « Cependant, le mécanisme de construction du champ électrique ferroélectrique intégré dans ces batteries est mal compris. Révéler ce mécanisme de construction devient un défi critique« .

Pour mieux comprendre comment le matériau ferroélectrique améliore le fonctionnement de la batterie, les chercheurs ont recouvert la cathode d’oxyde de lithium et de cobalt d’une couche fabriquée à partir d’un matériau ferroélectrique hybride organique-inorganique appelé perchlorate de guanidinium. Les revêtements de perchlorate de guanidinium possèdent un état à domaine unique, ce qui signifie que les dipôles ferroélectriques internes sont orientés dans la même direction. Ce comportement génère finalement le champ électrique intégré descendant à l’interface cathode/électrolyte. Par ailleurs, le perchlorate de guanidium peut être fabriqué par évaporation de solvants tels que l’alcool éthylique, ce qui en fait une option peu coûteuse et respectueuse de l’environnement pour la fabrication de batteries.

Les chercheurs ont découvert que les capacités des batteries au lithium à l’état solide dotées d’un revêtement ferroélectrique sur la cathode sont presque identiques à celles des batteries lithium-ion liquides actuelles, ce qui est beaucoup plus élevé que les batteries au lithium à l’état solide utilisant une cathode non revêtue.

Ils ont également analysé l’interaction des particules actives avec l’électrolyte dans la cathode avec et sans revêtement. Une couche de charge d’espace, qui interfère avec le mouvement des électrons dans la batterie, se forme lorsque l’oxyde de lithium et de cobalt rencontre l’électrolyte à l’état solide. La couche de charge d’espace restreint le transport du lithium et réduit la capacité de la batterie. Lorsque les revêtements ont été appliqués sur la cathode, le champ électrique ferroélectrique intégré a permis au lithium de se déplacer plus facilement à travers l’interface cathode/électrolyte, améliorant ainsi la capacité de la batterie malgré la couche de charge d’espace.

« Nous avons découvert que l’effet flexoélectrique causé par la disparité des réseaux est le principal facteur de l’effet d’autopolarisation des revêtements. Notre étude permet non seulement de concevoir des batteries au lithium à l’état solide dotées d’excellentes performances électrochimiques, mais aussi de découvrir des orientations théoriques scientifiques pour la construction de couches de revêtement ferroélectriques destinées à améliorer les performances du stockage de l’énergie électrochimique », a déclaré le Dr LI.

À l’avenir, les chercheurs étudieront différentes combinaisons de matériaux afin d’élargir les possibilités des batteries au lithium à l’état solide. « Nous espérons étendre cette idée de recherche à différentes combinaisons de cathodes et de matériaux ferroélectriques dans des travaux futurs, et obtenir des règles expérimentales pour une performance optimale des batteries« , a déclaré le professeur CUI Guanglei, auteur correspondant et chef de groupe du Solid Energy System Technology Center au QIBEBT. « L’objectif final est de disposer d’une stratégie universelle améliorant les performances des batteries au lithium dans les applications pratiques.« 

Composition d’une batterie Lithium-ion

Une batterie lithium-ion est principalement composée de trois éléments clés :

1. Des électrodes : La batterie contient deux électrodes, l’une est appelée cathode et l’autre est appelée anode. Les électrodes sont généralement fabriquées à partir de matériaux tels que le graphite pour l’anode et le lithium cobaltate pour la cathode.

2. Un électrolyte : L’électrolyte permet le transport des ions lithium entre les électrodes. Il est généralement sous forme liquide et peut être composé de sels de lithium dissous dans un solvant organique.

3. Un séparateur : Le séparateur est un élément important de la batterie car il empêche les électrodes de se toucher, ce qui peut causer un court-circuit. Le séparateur est généralement une fine feuille de polymère poreux qui permet le passage des ions lithium entre les électrodes tout en empêchant le contact direct entre elles.