Les batteries tout solide, souvent qualifiées de ‘batteries de rêve’, représentent la prochaine génération de batteries que de nombreux fabricants s’efforcent de mettre sur le marché. Car contrairement aux batteries lithium-ion, qui utilisent un électrolyte liquide, tous les composants de ces batteries, y compris l’électrolyte, l’anode et la cathode, sont solides.
Cette caractéristique réduit le risque d’explosion et suscite une forte demande sur des marchés allant de l’automobile aux systèmes de stockage d’énergie (SSE). Des défis subsistent encore pour leur commercialisation.
Les défis de la commercialisation des batteries tout solide
Les dispositifs qui maintiennent la haute pression (des dizaines de MPa) nécessaire au fonctionnement stable des batteries tout solide rencontrent des problèmes qui réduisent les performances de la batterie, tels que la densité d’énergie et la capacité.
Le Dr Hun-Gi Jung et son équipe du Centre de recherche sur le stockage d’énergie de l’Institut coréen des sciences et de la technologie (KIST) ont récemment identifié des facteurs de dégradation qui provoquent une dégradation rapide de la capacité et une durée de vie réduite lors du fonctionnement des batteries tout solide à des pressions similaires à celles des batteries lithium-ion.
Contrairement aux études précédentes, les chercheurs ont confirmé pour la première fois que la dégradation peut se produire à l’intérieur de la cathode ainsi qu’à l’extérieur, montrant que les batteries tout solide peuvent être exploitées de manière fiable même dans des environnements à basse pression à l’avenir.
Comprendre la dégradation des batteries tout solide
Dans les batteries tout solide, la cathode et l’anode subissent un changement de volume lors des cycles de charge et de décharge répétés, entraînant une dégradation interfaciale comme une réaction secondaire et une perte de contact entre les matériaux actifs et les électrolytes solides. Ces faits augmentent la résistance interfaciale et détériorent les performances de la cellule.
Pour résoudre ce problème, des dispositifs externes sont utilisés pour maintenir une haute pression, mais cela a l’inconvénient de réduire la densité d’énergie à mesure que le poids et le volume de la batterie augmentent.
Récemment, des recherches sont menées à l’intérieur de la cellule tout solide pour maintenir les performances de la cellule même dans des environnements à basse pression. L’équipe de recherche a analysé la cause de la dégradation des performances en faisant fonctionner de manière répétée une batterie tout solide de type pièce de monnaie avec un électrolyte solide à base de sulfure dans un environnement à basse pression de 0,3 MPa, similaire à celui d’une batterie Li-ion de type pièce de monnaie.
Des découvertes révélatrices
Après 50 cycles de charge-décharge, la couche de cathode NCM avait doublé de volume, et l’analyse de l’image en coupe a confirmé que de graves fissures s’étaient développées entre le matériau actif de la cathode et l’électrolyte solide. Cet observation a révélé pour la première fois qu’en plus de la perte de contact interfacial, la fissuration du matériau de la cathode et la transformation irréversible de la phase de la cathode sont les causes de la dégradation en fonctionnement à basse pression.
De plus, après avoir remplacé le lithium dans la cathode par un isotope (6Li) pour le distinguer du lithium présent dans l’électrolyte solide, l’équipe a utilisé la spectrométrie de masse à ion secondaire en temps de vol (TOF-SIMS) pour identifier pour la première fois le mécanisme par lequel la consommation de lithium dans la cathode contribue à la réduction globale de la capacité de la cellule.
En synthèse
En identifiant clairement la cause de la dégradation des batteries tout solide dans des environnements de fonctionnement à basse pression, ces méthodes analytiques fournissent une piste pour résoudre le problème des mauvaises caractéristiques de cyclage par rapport aux batteries lithium-ion conventionnelles.
Si ce problème est résolu, il est prévu que l’économie des batteries tout solide puisse être assurée en éliminant les dispositifs auxiliaires externes, qui ont été une cause majeure de l’augmentation des coûts de production.
« Pour la commercialisation des batteries tout solide, il est essentiel de développer de nouveaux matériaux de cathode et d’anode qui peuvent être exploités dans un environnement sans pression ou à basse pression plutôt que dans l’environnement pressurisé actuel », a commenté le Dr Hun-Gi Jung du KIST. « Lors de l’application de batteries tout solide fonctionnant à basse pression à des applications de moyenne et grande échelle telles que les véhicules électriques, on peut s’attendre à une utilisation optimale des installations de fabrication de batteries lithium-ion existantes. »
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’une batterie tout solide ?
Une batterie tout solide est une batterie où tous les composants, y compris l’électrolyte, l’anode et la cathode, sont solides. Cela réduit le risque d’explosion et améliore la sécurité par rapport aux batteries lithium-ion qui utilisent un électrolyte liquide.
Quels sont les défis de la commercialisation des batteries tout solide ?
Les défis comprennent la nécessité de maintenir une haute pression pour un fonctionnement stable, ce qui peut réduire les performances de la batterie, et la dégradation qui peut se produire à l’intérieur de la cathode ainsi qu’à l’extérieur.
Qu’est-ce qui cause la dégradation des batteries tout solide ?
La dégradation est causée par un changement de volume dans la cathode et l’anode lors des cycles de charge et de décharge répétés, entraînant une dégradation interfaciale et une perte de contact entre les matériaux actifs et les électrolytes solides.
Quelles sont les solutions possibles à ces problèmes ?
Les solutions possibles comprennent le développement de nouveaux matériaux de cathode et d’anode qui peuvent être exploités dans un environnement sans pression ou à basse pression, et l’élimination des dispositifs auxiliaires externes qui augmentent les coûts de production.
Quels sont les avantages potentiels des batteries tout solide ?
Les avantages potentiels comprennent une sécurité accrue, une densité d’énergie plus élevée et une durée de vie plus longue. De plus, si les problèmes de dégradation peuvent être résolus, les batteries tout solide pourraient être plus économiques à produire.
Principaux enseignements
| Enseignements |
|---|
| Les batteries tout solide sont la prochaine génération de batteries |
| Les batteries tout solide nécessitent une haute pression pour un fonctionnement stable |
| La dégradation peut se produire à l’intérieur de la cathode ainsi qu’à l’extérieur |
| La dégradation est causée par un changement de volume dans la cathode et l’anode lors des cycles de charge et de décharge répétés |
| Les solutions possibles comprennent le développement de nouveaux matériaux de cathode et d’anode qui peuvent être exploités dans un environnement sans pression ou à basse pression |
| L’élimination des dispositifs auxiliaires externes pourrait rendre les batteries tout solide plus économiques à produire |
| Les avantages potentiels des batteries tout solide comprennent une sécurité accrue, une densité d’énergie plus élevée et une durée de vie plus longue |
| Après 50 cycles de charge-décharge, la couche de cathode NCM avait doublé de volume |
| La fissuration du matériau de la cathode et la transformation irréversible de la phase de la cathode sont les causes de la dégradation en fonctionnement à basse pression |
| La consommation de lithium dans la cathode contribue à la réduction globale de la capacité de la cellule |
Références
Légende illustration principale : L’image de la couverture de la revue Advanced Energy Materials 40/2023
Article : « New Consideration of Degradation Accelerating of All-Solid-State Batteries under a Low-Pressure Condition » – DOI: 10.1002/aenm.202301220
Les informations de cet article proviennent des recherches menées par le Dr Hun-Gi Jung et son équipe du Centre de recherche sur le stockage d’énergie de l’Institut coréen des sciences et de la technologie (KIST).
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