Les polyoxométalates triplent la conductivité des batteries à l’état solide

Dans le domaine des batteries lithium-ion à l’état solide, une nouvelle approche prometteuse a vu le jour. Elle repose sur l’utilisation de polyoxométalates (POMs) contenant des ions lithium chargés, combinés à des liquides ioniques, pour augmenter la conductivité ionique d’une membrane d’électrolyte à l’état solide.

Cette avancée pourrait révolutionner le domaine des batteries à l’état solide, qui sont plus sûres, plus économiques et capables de densités d’énergie plus élevées que les batteries reposant sur des solutions d’électrolyte liquide, mais qui souffrent d’une faible conductivité ionique et d’une mauvaise stabilité thermique.

Une nouvelle membrane d’électrolyte composite

Une nouvelle membrane d’électrolyte composite (CSE) a été synthétisée en utilisant des sels de lithium et un liquide ionique pour améliorer la dissociation, et donc la conductivité, des atomes de lithium chargés dans une batterie à électrolyte solide. Les polyoxométalates (POMs) sont des agrégats d’atomes de métal et d’oxygène dont les propriétés sont déterminées par la structure bien définie de l’agrégat atomique POM.

Des chercheurs de l’Université normale du Nord-Est ont récemment introduit un sel de lithium à base de POM, le Li6P2Mo18O62 (LPM), dans un électrolyte solide-polymère (SPE) composé du polymère polyéthylène oxyde (PEO), une chaîne bon marché et stable de nombreux sous-unités d’oxyde d’éthylène.

Le PEO souffre d’une faible conductivité ionique, et l’ajout de sel LPM modifie les propriétés du polymère et améliore le mouvement des ions.

Amélioration de la conductivité

L’équipe de recherche a également incorporé un liquide ionique (IL) pour libérer les ions lithium du LPM, améliorant ainsi la conductivité du matériau d’électrolyte composite.

L’équipe a publié ses résultats dans la revue Polyoxometalates le 28 septembre 2023.

Les électrolytes à l’état solide (SSEs) sont considérés comme les candidats les plus prometteurs pour les dispositifs de stockage d’énergie de nouvelle génération en raison de leur excellente stabilité thermique et électrochimique.

Bien que les SPEs aient une excellente flexibilité et viscosité, ils sont sévèrement limités en raison de leur faible conductivité ionique, de leur faible résistance mécanique et de leur faible stabilité thermique à température ambiante.

En synthèse

En somme, les polyoxométalates peuvent être utilisés comme électrolytes solides inorganiques. L’IL a efficacement augmenté la dissociation des ions lithium du LPM et amélioré la conductivité ionique de la membrane d’électrolyte solide composite.

L’incorporation de PVDF a également créé un réseau conducteur PEO-PVDF dans la membrane qui a favorisé le mouvement des ions lithium, améliorant la conductivité.

L’équipe de recherche estime que leur membrane composite unique, à base de PEO, contenant du PVDF, du sel de lithium à base de POM et de l’IL, offre un moyen pratique d’augmenter la conductivité ionique dans les électrolytes à l’état solide pour une utilisation dans les batteries lithium-ion.

«Notre prochaine étape est d’améliorer les performances des polyoxométalates pour créer de meilleures batteries lithium-ion à l’état solide», a déclaré Hong-Ying Zang, auteur principal de l’article et professeur au laboratoire de chimie des polyoxométalates et des matériaux réticulaires de l’université normale du Nord-Est à Changchun, en Chine.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que les polyoxométalates (POMs) ?

Les polyoxométalates (POMs) sont des agrégats d’atomes de métal et d’oxygène dont les propriétés sont déterminées par la structure bien définie de l’agrégat atomique POM. Ils sont utilisés dans diverses applications, notamment comme catalyseurs, dans les batteries et dans les matériaux magnétiques.

Qu’est-ce qu’une batterie à l’état solide ?

Une batterie à l’état solide est une batterie qui utilise un électrolyte solide ou semi-solide au lieu d’un électrolyte liquide. Ces batteries sont plus sûres, plus économiques et capables de densités d’énergie plus élevées que les batteries qui reposent sur des solutions d’électrolyte liquide.

Qu’est-ce que la conductivité ionique ?

La conductivité ionique est la mesure de la capacité d’un matériau à conduire un courant électrique. Dans le contexte des batteries, une conductivité ionique élevée est souhaitable car elle permet un mouvement efficace des ions, ce qui est essentiel pour le fonctionnement de la batterie.

Qu’est-ce qu’un liquide ionique ?

Un liquide ionique est un sel qui est liquide à température ambiante. Ils sont utilisés dans diverses applications, notamment comme solvants et électrolytes. Dans le contexte de cette recherche, un liquide ionique a été utilisé pour libérer les ions lithium du sel de lithium à base de POM, améliorant ainsi la conductivité du matériau d’électrolyte composite.

Qu’est-ce que le polyéthylène oxyde (PEO) ?

Le polyéthylène oxyde (PEO) est un polymère composé de nombreuses sous-unités d’oxyde d’éthylène. Il est bon marché et stable, mais souffre d’une faible conductivité ionique. Dans cette recherche, le sel de lithium à base de POM a été ajouté au PEO pour améliorer le mouvement des ions.

Légende illustration principale : Le sel de lithium (LPM) vert à base de polyoxométalate est pris en sandwich entre deux couches d’un liquide ionique (orange) qui favorise la dissociation des ions lithium du LPM, augmentant ainsi la conductivité ionique de la membrane composite à électrolyte solide. Credit : Polyoxometalates, Tsinghua University Press

Article : « Ionic liquid-mediated PEO-based solid-state electrolyte membrane modified with Dawson-type polyoxometalates » – DOI: 10.26599/POM.2023.9140036