Les batteries à l’état solide promettent une plus grande sécurité et une densité énergétique supérieure, mais leurs électrolytes solides sont confrontés à un compromis fondamental.
La plupart des électrolytes inorganiques à l’état solide très conducteurs reposent sur des compositions riches en lithium. Ajouter davantage de lithium peut augmenter le nombre de porteurs de charge potentiels, mais tous les ions lithium ne participent pas au transport ionique. Certains ions lithium restent liés à la structure du matériau et ne contribuent pas au transport à longue distance. Une teneur élevée en lithium augmente également l’utilisation des ressources et peut entraîner une plus grande instabilité chimique et électrochimique. Cela soulève une question centrale pour la conception des électrolytes solides : Un électrolyte solide peut-il être conçu avec une teneur réduite en lithium tout en offrant une conductivité ionique et une stabilité élevées ?
Une équipe de recherche dirigée par le professeur Chunpeng Yang de l’université de Tianjin a proposé une stratégie de percolation interfaciale pour des électrolytes solides à base d’oxychlorure pauvres en lithium.
Construire un réseau de percolation interfaciale connecté
Les chercheurs ont intégré des nanocristaux isolants comme phases dispersées dans une matrice amorphe. Les nanocristaux ont reconstruit l’interphase, optimisé la distribution des ions lithium à l’interface et formé un réseau continu de transport interfacial.
À de faibles teneurs en oxyde, les régions interfaciales restent isolées. À mesure que la teneur en nanocristaux augmente, les régions interfaciales voisines se connectent progressivement. À la composition optimale, les interfaces interconnectées forment un réseau continu dans tout l’électrolyte, un peu comme des routes locales qui fusionnent en un système autoroutier. Au-delà de la composition optimale, l’excès d’oxyde réduit la proportion et la connectivité de la matrice conductrice d’ions, ce qui entraîne une diminution de la conductivité ionique.
La microscopie avancée, la spectroscopie et le traçage isotopique du lithium ont montré que le lithium s’enrichit près des interfaces et s’échange et migre préférentiellement à travers l’interphase. Ces résultats soutiennent un mécanisme de transport interfacial qui diffère de la conduction classique à travers la phase massive.
Moins de lithium, mais un transport très efficace
Grâce à cette stratégie, les chercheurs ont développé un électrolyte d’oxychlorure percolatif représentatif contenant seulement 1,46 % en poids de lithium, tout en atteignant une conductivité ionique à température ambiante de 15,2 mS cm−1. Ce résultat montre qu’un transport ionique très efficace ne nécessite pas nécessairement une composition riche en lithium. Au contraire, la conductivité peut être améliorée en augmentant la connectivité des voies de transport et en accroissant l’efficacité avec laquelle les ions lithium participent à la conduction.
Stabilité à haute tension et batteries tout-solide à longue durée de vie
L’électrolyte représentatif présente une stabilité à haute tension jusqu’à 4,8 V. Associé à une cathode riche en nickel, les batteries tout-solide obtenues ont conservé 85,3 % de leur capacité après 5 000 cycles à 2 C et 81,5 % après 4 000 cycles à 6 C. Sous une charge de cathode élevée, les batteries ont fourni une capacité surfacique supérieure à 3 mAh cm−2 et ont conservé 80,4 % de leur capacité après 800 cycles.
Polyvalence de la stratégie
En variant les nanocristaux d’oxyde, les chlorures métalliques et les matériaux de départ de métaux alcalins, les chercheurs ont préparé plusieurs électrolytes d’oxychlorure percolatifs, indiquant une large compatibilité compositionnelle et élémentaire. La stratégie pourrait permettre un ajustement supplémentaire de la chimie interfaciale et de la connectivité du réseau de transport, offrant ainsi une voie vers des électrolytes solides pauvres en lithium avec une conductivité ionique équilibrée, une stabilité électrochimique et une compatibilité avec les électrodes.
La stratégie de percolation interfaciale offre une nouvelle voie de conception pour les électrolytes inorganiques à l’état solide à faible teneur en lithium et à conductivité ionique élevée. Sa capacité d’ajustement permet d’optimiser davantage les propriétés de l’électrolyte, faisant progresser le développement de batteries tout-solide haute performance.
Journal : National Science Review – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : SCP
