La quête de la batterie parfaite, les électrolytes solides sont-ils la clé ?

Les batteries au lithium-ion alimentent l’appareil sur lequel ces mots apparaissent. Des téléphones et ordinateurs portables aux véhicules électriques, les batteries au lithium-ion sont essentielles à la technologie du monde moderne – mais elles peuvent aussi exploser.

Composées d’électrodes chargées négativement et positivement et d’un électrolyte pour transporter les ions à travers la division, les batteries au lithium-ion ne sont aussi bonnes que les limites de leurs composants. Les électrolytes liquides sont potentiellement volatils à des températures élevées, et leur efficacité peut être limitée par la non-uniformité et les instabilités dans les autres composants.

Les chercheurs travaillent à développer des batteries plus sûres et plus efficaces avec des électrolytes solides, un changement significatif par rapport à la version liquide qui transporte actuellement les ions dans la plupart des batteries disponibles sur le marché.

Le défi des électrolytes solides

Le défi est que chaque matériau à l’état solide a autant d’inconvénients que d’avantages, selon une équipe basée au Centre de recherche de Shenzhen de l’Institut de recherche sur les matériaux de l’École internationale d’études supérieures de Tsinghua Shenzhen.

Pour résoudre ce dilemme, les chercheurs ont combiné deux des principaux candidats à l’état solide – céramique et polymère – pour créer un nouvel électrolyte composite.

Une combinaison prometteuse

Les électrolytes céramiques inorganiques offrent une haute conductivité, mais ils développent une résistance lorsqu’ils sont confrontés à un autre solide et sont compliqués à synthétiser.

Les électrolytes polymères sont plus faciles à produire, plus flexibles et fonctionnent mieux avec les électrodes, mais leur conductivité à température ambiante est trop faible pour une application commerciale.

Selon Yuan, la combinaison des deux devrait produire un électrolyte hautement conducteur, flexible et plus facile à synthétiser.

Surmonter les obstacles

« Les électrolytes composites à l’état solide ont fait l’objet d’une attention particulière en raison de leurs avantages combinés en tant qu’électrolytes inorganiques et polymères », a ajouté le coauteur Yu Yuan. « Cependant, les charges céramiques inorganiques conventionnelles offrent une amélioration limitée de la conductivité ionique pour les électrolytes composites à l’état solide en raison de la couche de charge spatiale entre la matrice polymère et la phase céramique. »

En réalité, cependant, lorsqu’ils sont mélangés, les électrolytes composites à l’état solide ont une séparation – appelée couche de charge d’espace – entre leurs parties constitutives qui limite leur conductivité.

Pour corriger cela, les chercheurs ont utilisé du tantalate de lithium, qui a une structure cristalline qui se prête à des propriétés optiques et électriques uniques, comme un remplisseur fonctionnel pour atténuer la couche de charge d’espace.

En synthèse

Les chercheurs ont démontré expérimentalement que le remplisseur de tantalate de lithium facilite le goulot d’étranglement pour le transport des ions lithium à travers l’interface polymère-céramique, ce qui entraîne un mouvement des ions lithium à la fois en nombre accru et en vitesse à travers l’électrolyte.

Le résultat, selon les chercheurs, est un électrolyte à haute conductivité et à longue durée de vie – se référant à la fréquence à laquelle les ions peuvent être transportés à travers la batterie dans les cycles de charge et de décharge – même à basse température.

« Notre approche éclaire la conception de remplisseurs céramiques fonctionnels pour les électrolytes composites à l’état solide afin d’améliorer efficacement la conductivité ionique et les performances de la batterie », a conclu Yu Yuan.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’une batterie au lithium-ion ?

Une batterie au lithium-ion est un type de batterie rechargeable qui utilise des ions lithium pour fonctionner. Ces batteries sont couramment utilisées dans de nombreux appareils électroniques, y compris les téléphones portables, les ordinateurs portables et les véhicules électriques.

Quels sont les problèmes avec les batteries au lithium-ion actuelles ?

Les batteries au lithium-ion actuelles utilisent des électrolytes liquides qui peuvent être potentiellement volatils à des températures élevées. De plus, leur efficacité peut être limitée par la non-uniformité et les instabilités dans les autres composants de la batterie.

Qu’est-ce qu’un électrolyte solide ?

Un électrolyte solide est un matériau qui peut conduire les ions à l’état solide. Les chercheurs travaillent à développer des batteries au lithium-ion avec des électrolytes solides pour créer des batteries plus sûres et plus efficaces.

Quels sont les avantages et les inconvénients des électrolytes solides ?

Les électrolytes solides peuvent offrir une haute conductivité et une meilleure stabilité thermique que les électrolytes liquides. Cependant, ils peuvent développer une résistance lorsqu’ils sont confrontés à un autre solide et peuvent être compliqués à synthétiser.

Qu’est-ce qu’un électrolyte composite ?

Un électrolyte composite est un type d’électrolyte qui combine deux ou plusieurs types de matériaux, comme la céramique et le polymère. Ces électrolytes peuvent offrir les avantages de chaque matériau, tout en minimisant leurs inconvénients.

Principaux enseignements

Références

Les informations sont basées sur les recherches publiées dans Energy Materials and Devices par une équipe de l’Institut de recherche sur les matériaux de la Tsinghua Shenzhen International Graduate School.

Article : « Functional LiTaO3 filler with tandem conductivity and ferroelectricity for PVDF-based composite solid-state electrolyte » – DOI: 10.26599/EMD.2023.9370004