La voie ionique vers les batteries tout-solide

La neutralité carbone pourrait prendre la forme d’une batterie. Les batteries tout-solide (ASSB) gagnent du terrain dans les secteurs de l’énergie et des véhicules électriques en tant qu’alternatives potentiellement plus sûres aux batteries liquides inflammables standard sur le marché aujourd’hui. Cependant, des défis complexes se dressent actuellement sur la voie de cette réalité.

Améliorer l’efficacité de la conductivité ionique du transport du lithium-ion à l’intérieur des électrodes est l’un de ces défis. Les voies de transport des ions jouent un rôle prédominant dans les performances de la batterie, mais la structure et la configuration du réseau peuvent être influencées par l’état des particules d’électrolyte solide (SE). À l’intérieur de l’électrode, les particules de SE sont densément tassées, forçant les ions à se faufiler à travers des espaces étroits. Cette tortuosité, ce cheminement complexe des voies de transport ionique, est une source majeure de résistance conductrice.

Dans le but de raccourcir le chemin vers la réalité des ASSB, une équipe de recherche dirigée par le professeur associé Shuji Ohsaki de l’École supérieure d’ingénierie de l’Université métropolitaine d’Osaka a étudié comment la taille des particules de SE affecte la conductivité ionique. L’équipe a fabriqué des couches d’électrode avec des distributions de taille de particules contrôlées en ajustant les conditions de broyage du chlorure de lithium-phosphore-soufre (LPSCl), un matériau d’électrolyte solide à base de sulfure, puis a évalué la structure et les propriétés électriques. La simulation informatique par méthode des éléments discrets (DEM) et un algorithme de plus court chemin ont été utilisés pour visualiser et quantifier les voies microscopiques de conduction ionique à l’intérieur de l’électrode.

Les chercheurs ont constaté que la tortuosité globale de l’électrode diminuait lorsque des particules de tailles diverses étaient mélangées, par rapport aux électrodes composées de particules de taille uniforme. Les particules plus grosses pénétraient dans les amas de particules plus petites, agissant efficacement comme des voies de dérivation pour le transport des ions. En conséquence, le nombre d’interfaces particule-particule que les ions doivent traverser est réduit, permettant la formation de routes de transport qui se rapprochent de la distance la plus courte possible.

« Cette étude identifie la distribution de la taille des particules comme un facteur clé qui réduit la tortuosité de l’électrode et améliore le transport ionique », a expliqué le professeur Ohsaki. « En appliquant ces découvertes, il devient possible d’améliorer considérablement les performances des batteries tout-solide simplement en optimisant la distribution granulométrique des matériaux existants sans avoir à en développer de nouveaux coûteux. Cette avancée pourrait améliorer les capacités de charge et décharge rapides des véhicules électriques (VE) et augmenter l’efficacité des processus de fabrication. »

Article : Effect of size distribution of solid electrolyte on tortuosity of ionic conductive paths: A combined experimental and simulation study – Journal : Journal of Energy Storage – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : OMU