Découverte d’un électrolyte solide stable et ultra-conducteur pour batteries

Les batteries lithium-ion à l’état solide avec des électrolytes solides offrent des avantages significatifs en termes de sécurité et de densité énergétique par rapport aux batteries conventionnelles à électrolyte liquide. Le développement de ces batteries se heurte à des défis majeurs, notamment en ce qui concerne la conductivité ionique et la stabilité des électrolytes solides.

Dans une étude, une équipe de recherche dirigée par le professeur Kenjiro Fujimoto et le professeur Akihisa Aimi de l’Université des sciences de Tokyo, ainsi que le Dr Shuhei Yoshida de Denso Corp. a découvert un conducteur ionique lithium stable et hautement conducteur sous la forme d’un oxyfluorure de type pyrochlore.

Selon le professeur Fujimoto, « La fabrication de batteries lithium-ion secondaires à l’état solide a longtemps été un rêve pour de nombreux chercheurs dans le domaine des batteries. Nous avons découvert un électrolyte solide à base d’oxyde qui est un composant clé des batteries lithium-ion à l’état solide, offrant à la fois une haute densité énergétique et une sécurité accrue. En plus d’être stable à l’air, ce matériau présente une conductivité ionique supérieure à celle des électrolytes solides à base d’oxyde précédemment rapportés. »

Caractérisation et performances du nouvel électrolyte solide

L’oxyfluorure de type pyrochlore étudié dans ce travail peut être désigné par la formule Li2-xLa(1+x)/3M2O6F (M = Nb, Ta). Il a fait l’objet d’une analyse structurale et compositionnelle à l’aide de diverses techniques, notamment la diffraction des rayons X, l’analyse de Rietveld, la spectrométrie d’émission optique à plasma à couplage inductif et la diffraction électronique en aire sélectionnée.

Plus précisément, le composé Li1.25La0.58Nb2O6F a été développé, démontrant une conductivité ionique en volume de 7,0 mS cm⁻¹ et une conductivité ionique totale de 3,9 mS cm⁻¹ à température ambiante. Ces valeurs sont supérieures à la conductivité des ions lithium des électrolytes solides à base d’oxyde connus. L’énergie d’activation de la conduction ionique de ce matériau est extrêmement faible, et sa conductivité ionique à basse température est l’une des plus élevées parmi les électrolytes solides connus, y compris les matériaux à base de sulfure.

Mécanisme de conduction des ions lithium dans le nouveau matériau

Le mécanisme de conduction des ions Li dans ce matériau a été étudié. Le chemin de conduction de la structure de type pyrochlore couvre les ions F situés dans les tunnels créés par les octaèdres MO6.

Le mécanisme de conduction est le mouvement séquentiel des ions Li tout en changeant les liaisons avec les ions F. Les ions Li se déplacent vers la position Li la plus proche en passant toujours par des positions métastables. Les ions La3+ immobiles liés aux ions F inhibent la conduction des ions Li en bloquant le chemin de conduction et en faisant disparaître les positions métastables environnantes.

Contrairement aux batteries lithium-ion secondaires existantes, les batteries tout solide à base d’oxyde ne présentent aucun risque de fuite d’électrolyte en cas de dommage et aucun risque de génération de gaz toxique comme avec les batteries à base de sulfure. Par conséquent, cette nouvelle innovation devrait orienter les recherches futures.

Perspectives d’application et de recherche future

Selon le professeur Fujimoto, « Le matériau nouvellement découvert est sûr et présente une conductivité ionique supérieure à celle des électrolytes solides à base d’oxyde précédemment rapportés. L’application de ce matériau est prometteuse pour le développement de batteries révolutionnaires capables de fonctionner dans une large gamme de températures, des basses aux hautes températures. Nous pensons que les performances requises pour l’application des électrolytes solides aux véhicules électriques sont satisfaites. »

Il est important de noter que le nouveau matériau est très stable et ne s’enflamme pas s’il est endommagé. Il convient aux avions et autres endroits où la sécurité est cruciale. Il est également adapté aux applications à haute capacité, telles que les véhicules électriques, car il peut être utilisé à des températures élevées et permet une recharge rapide. De plus, il est également un matériau prometteur pour la miniaturisation des batteries, des appareils électroménagers et des dispositifs médicaux.

Les chercheurs ont non seulement découvert un conducteur d’ions Li à haute conductivité et stable à l’air, mais ont également introduit un nouveau type de conducteur superionique avec un oxyfluorure de type pyrochlore. L’exploration de la structure locale autour du lithium, de leurs changements dynamiques pendant la conduction et de leur potentiel en tant qu’électrolytes solides pour les batteries tout solide sont des domaines importants pour les recherches futures.

Article : « High Li-ion conductivity in pyrochlore-type solid electrolyte Li_2-xLa_(1+x)/3M₂O₆F (M = Nb, Ta) » – DOI: 10.1021/acs.chemmater.3c03288