Les batteries au lithium-ion sont aujourd’hui presque omniprésentes, alimentant tout, des téléphones cellulaires aux ordinateurs portables. Il n’est donc pas étonnant que les scientifiques s’efforcent en permanence de mettre au point une technologie de batterie plus sûre et plus efficace sur le plan énergétique.
Un groupe de recherche comprenant l’ingénieur en matériaux et en mécanique de l’UC Santa Barbara, Jeff Sakamoto, expert en batteries, a récemment révélé des informations essentielles sur les électrolytes solides testés en vue d’une utilisation dans les batteries à l’état solide.
Les électrolytes sont comme des membranes qui permettent aux seuls ions lithium (pas d’électrons) de circuler entre les électrodes positive et négative d’une batterie. Séparés de leurs atomes de lithium, les électrons circulent dans un circuit externe dans un sens pour charger la batterie et dans l’autre sens pour la décharger et alimenter des appareils électriques. Les batteries à l’état solide, qui par définition intègrent des électrolytes solides plutôt que liquides, apparaissent comme une technologie essentielle pour développer des batteries lithium-ion légères, denses en énergie, plus durables et, surtout, plus sûres. La sécurité accrue découle du fait que les électrolytes solides ne sont ni volatils ni inflammables, contrairement aux électrolytes liquides utilisés dans les batteries lithium-ion conventionnelles.
Les électrolytes solides peuvent être moins réactifs avec le lithium métal, ce qui les rend plus compatibles avec les électrodes en lithium métal qu’avec les électrolytes liquides. Comme tous les atomes du lithium métal peuvent participer à la charge et à la décharge d’une batterie – ce qui lui permet de stocker plus d’énergie – le lithium métal a une densité énergétique plus élevée que le graphite, un matériau d’électrode conventionnel. Les électrolytes solides constitués de grenat de lithium, de lanthane et de zirconium (LLZO) sont des candidats de premier plan pour ce type de batterie. Ce matériau se distingue par sa rigidité, sa durabilité et sa conductivité, c’est-à-dire la facilité avec laquelle il déplace les ions lithium entre les électrodes pendant la charge et la décharge.
Pour améliorer encore le LLZO, les chercheurs ont expérimenté le dopage, c’est-à-dire l’ajout de petites quantités d’éléments tels que l’aluminium ou le gallium, afin d’améliorer sa capacité à conduire les ions lithium.
Le dopage à l’aluminium et au gallium permet au LLZO, produit par Sakamoto pour l’étude, de conserver la structure la plus symétrique tout en créant des espaces vacants. Cela facilite le mouvement des ions lithium et améliore la conductivité. Le dopage peut toutefois rendre le LLZO plus réactif avec le lithium métal, ce qui réduit la durée de vie de la batterie. L’équilibrage optimal de ces processus par la variation de la composition matérielle de l’électrolyte ou d’autres éléments d’une batterie afin d’obtenir un avantage sans subir d’inconvénient est au cœur même de la recherche sur les batteries.
Dans cette étude, les chercheurs ont examiné ce qui se passe lorsque le LLZO, contenant des dopants d’aluminium ou de gallium, entre en contact avec du lithium métallique. À l’aide de techniques informatiques et expérimentales, ils ont constaté que le gallium a tendance à sortir plus facilement de l’électrolyte et à réagir plus fortement avec le lithium pour former un alliage, ce qui entraîne une diminution de la quantité de gallium. Cette perte de gallium peut entraîner une modification de la structure du grenat de lithium et une diminution de la conductivité ionique. À l’inverse, le LLZO dopé à l’aluminium reste intact.
Avec une conductivité ionique beaucoup plus élevée que celle du LLZO dopé à l’aluminium, la version dopée au gallium est intéressante. Mais la réactivité des dopants avec le lithium a conduit les chercheurs à déterminer que l’utilisation du gallium nécessitait une couche interfaciale pour protéger et préserver sa conductivité tout en empêchant la réactivité associée. Comprendre pourquoi le LLZO se comporte différemment selon le dopant ajouté aidera les scientifiques à concevoir de meilleurs matériaux pour des batteries stables et fiables.
« Si les dopants sont instables, il ne suffit pas d’améliorer la conductivité », a expliqué Sanja Tepavcevic, chimiste à Argonne et expérimentateur principal de l’étude, en précisant que séparer la réactivité de la conductivité, ou développer un matériau qui présente à la fois une conductivité et une stabilité élevées, est “fondamentalement ce que nous essayons de montrer avec ce travail”.
En combinant des techniques informatiques et expérimentales, les chercheurs ont pu mesurer les principales propriétés des matériaux dopés, tout en obtenant des informations au niveau atomique sur ce qui se passe à l’interface entre le métal lithium et l’électrolyte solide. En utilisant une méthode informatique puissante, la théorie de la fonctionnelle de la densité, pour étudier le comportement des atomes et des électrons dans les matériaux, ils ont pu prédire la stabilité des différents dopants et la manière dont ils réagiraient avec d’autres substances.
Peu de techniques expérimentales permettent aux scientifiques d’examiner l’interface électrolyte solide-électrode, en particulier lorsqu’une réaction électrochimique se produit pendant le fonctionnement de la batterie. En effet, ces interfaces sont « enfouies » et ne sont pas visibles avec la plupart des techniques expérimentales. Les chercheurs ont utilisé la spectroscopie de photoélectrons à rayons X pour étudier les changements dans la chimie de surface du LLZO et ont employé la spectroscopie d’impédance électrochimique pour analyser le mouvement des ions lithium dans les électrolytes et à l’interface électrolyte-électrode. Ils ont également utilisé la diffraction des neutrons pour déterminer comment les atomes sont disposés dans un matériau. Les chercheurs ont pu confirmer que le gallium devenait moins stable et plus réactif lorsqu’il interagissait avec le lithium, tandis que l’aluminium restait stable.
Légende illustration : Les batteries lithium-ion alimentent tout, des téléphones portables aux ordinateurs portables. Crédit photo : Tyler Lastovich / Unsplash
Article : « Comparative Analysis of Reactivity of Al and Ga Doped Garnet Solid State Electrolyte at the Interface with Li Metal » – DOI : 10.1021/acsmaterialslett.4c01237
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