Une technologie émergente visant à rendre les batteries lithium-ion plus sûres et plus puissantes consiste à utiliser des électrolytes solides plutôt que liquides, ces matériaux qui permettent aux ions de se déplacer à travers le dispositif pour générer de l’énergie.
Une équipe de chercheurs de l’université du Texas à Dallas et leurs collègues ont découvert que le mélange de petites particules entre deux électrolytes solides peut générer un effet appelé « couche de charge spatiale », une accumulation de charge électrique à l’interface entre les deux matériaux.
Cette découverte pourrait contribuer au développement de batteries à électrolytes solides, appelées batteries à l’état solide, pour des applications telles que les appareils mobiles et les véhicules électriques.
Les chercheurs ont découvert que le mélange de petites particules entre deux électrolytes solides peut générer un effet appelé « couche de charge spatiale », une accumulation de charge électrique à l’interface entre deux électrolytes solides, comme le montre cette illustration.
Lorsque les matériaux électrolytiques solides distincts entrent en contact physique, une couche se forme à leur frontière, où les particules chargées, ou ions, s’accumulent en raison des différences de potentiel chimique de chaque matériau, a précisé le Dr Laisuo Su, professeur adjoint de science et d’ingénierie des matériaux à l’École d’ingénierie et d’informatique Erik Jonsson et co-auteur correspondant de l’étude. Il a expliqué que cette couche contribue à créer des voies qui facilitent le déplacement des ions à travers l’interface.
« Imaginez que vous mélangez deux ingrédients dans une recette et que vous obtenez de manière inattendue un résultat meilleur que celui obtenu avec chacun des ingrédients pris séparément », explique M. Su. « Cet effet a stimulé le mouvement des ions au-delà de ce que chaque matériau pouvait réaliser seul. »
Cette recherche s’inscrit dans le cadre du projet BEACONS (Batteries and Energy to Advance Commercialization and National Security) de l’UTD, lancé en 2023 avec un financement de 30 millions de dollars du ministère de la Défense afin de développer et de commercialiser de nouvelles technologies et de nouveaux procédés de fabrication de batteries, d’améliorer la disponibilité nationale des matières premières essentielles et de former des travailleurs hautement qualifiés pour l’industrie.
« La technologie des batteries à semi-conducteurs fait partie de nos recherches sur les chimies des batteries de nouvelle génération au centre BEACONS, et elle devrait permettre à des systèmes de batteries avancés d’améliorer les performances des drones pour des applications de défense », a ajouté le Dr Kyeongjae Cho, professeur de science et d’ingénierie des matériaux, directeur de BEACONS et co-auteur correspondant de l’étude.
La plupart des batteries lithium-ion actuellement utilisées dans les produits de consommation contiennent des électrolytes liquides, qui sont inflammables et peuvent présenter des problèmes de sécurité. Bien que les batteries lithium-ion conventionnelles atteignent la limite théorique de la quantité d’énergie qu’elles peuvent stocker, M. Su a dit que les batteries à l’état solide sont prometteuses pour générer et stocker plus de deux fois plus d’énergie que les batteries à électrolyte liquide, et qu’elles sont plus sûres car elles ne sont pas inflammables.
Le développement des batteries à semi-conducteurs se heurte toutefois à des difficultés, car il est plus difficile de déplacer les ions à travers les matériaux solides. Les chercheurs ont étudié les performances des composés électrolytiques à semi-conducteurs que sont le chlorure de lithium-zirconium et le chlorure de lithium-yttrium, et ont proposé une théorie pour expliquer pourquoi le mélange de ces matériaux augmentait l’activité ionique.
« L’interface a formé des canaux uniques pour le transport des ions », indique M. Su.
M. Su et ses collègues chercheurs prévoient de poursuivre leurs études sur la manière dont la composition et la structure de l’interface conduisent à une plus grande conductivité ionique.
Parmi les autres chercheurs de l’UT Dallas qui ont contribué à ces travaux figurent le Dr Boyu Wang, premier auteur de l’étude et chercheur postdoctoral au BEACONS, et le Dr Yue Zhou, professeur associé en génie mécanique.
L’équipe de l’UTD a collaboré avec deux chercheurs de l’université Texas Tech : le Dr Zeeshan Ahmad, professeur adjoint en génie mécanique et coauteur correspondant, et Md Salman Rabbi Limon, doctorant en génie mécanique.
Article : « 1 +1 > 2 Effect Induced by Space Charge in Solid Electrolytes » – DOI : 10.1021/acsenergylett.4c03398
Source : UT Dallas
