Southwest Research Institute (SwRI) et Southern Methodist University (SMU) collaborent pour faire progresser la technologie des batteries à état solide. Les batteries à état solide sont des alternatives plus sûres, plus durables et plus efficaces aux batteries lithium-ion traditionnelles, offrant une charge plus rapide et un potentiel de stockage d’énergie plus élevé. Elles sont particulièrement prometteuses pour alimenter les véhicules électriques, mais les conceptions actuelles sont freinées par des électrodes et des interfaces qui se dégradent avec le temps. SwRI et SMU s’attaqueront à ce goulot d’étranglement et travailleront ensemble pour développer une architecture de conception de batterie à état solide plus stable.
Presque tous les véhicules électriques d’aujourd’hui utilisent des batteries lithium-ion avec un électrolyte liquide, le milieu qui transporte les ions entre les électrodes positive et négative. Les électrolytes liquides sont hautement inflammables et imposent des limitations de performance. Les batteries à état solide remplacent l’électrolyte liquide par un matériau solide et utilisent une anode en lithium métallique comme source d’ions lithium. Ces composants dans les batteries à état solide permettent une charge plus rapide et une densité énergétique significativement plus élevée tout en offrant un fonctionnement intrinsèquement plus sûr car ils utilisent des matériaux solides au lieu de liquides inflammables.
« Les batteries à état solide sont une technologie de prochaine génération avec un énorme potentiel pour le stockage d’énergie, en particulier pour les véhicules électriques, mais elles n’ont pas été largement commercialisées en raison de défis de fabrication et de matériaux », a déclaré le Dr John Hemmerling, ingénieur de recherche principal au département d’ingénierie des matériaux de SwRI. « L’un des plus grands obstacles techniques est l’interface instable entre l’anode en lithium métallique et l’électrolyte solide. »
Dans les batteries à état solide, une anode en lithium métallique solide est en contact direct avec un électrolyte solide, et cette interface est difficile à gérer car le lithium est hautement réactif et peut facilement endommager ou interagir chimiquement avec les matériaux qu’il touche, compromettant les performances et la stabilité de la batterie.
« Le lithium peut également se déposer sous forme de croissances inégales, appelées dendrites, qui endommagent la zone de contact et entravent le transfert d’ions », a expliqué Hemmerling. « Cela accélère la dégradation de la batterie, la rendant moins efficace avec le temps. »
Hemmerling collaborera avec le scientifique de SwRI, le Dr Jianliang Lin, et le professeur J. Lindsay Embrey et professeur adjoint de génie mécanique de SMU, le Dr Rong Kou, pour concevoir des films ultra-minces afin de réduire la dégradation et la résistance à l’interface anode-électrolyte, dans le but d’améliorer la fiabilité et la stabilité des batteries à état solide. Le projet est financé par une subvention de 128 896 $ du programme conjoint Seed Projects Aligning Research, Knowledge and Skills (SPARKS), qui vise à renforcer et à cultiver la recherche à long terme entre SwRI et SMU.
Grâce à un processus appelé ingénierie interfaciale, les chercheurs déposeront des films ultra-minces de quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres d’épaisseur sur l’anode. Ces films comprennent des métaux, des oxydes métalliques et des alliages métalliques, précisément ajustés pour stabiliser l’interface. Le projet tirera parti de l’expertise de SwRI dans le dépôt de couches minces et des forces de SMU dans le développement de batteries à état solide pour établir des relations quantitatives structure-propriétés-performance reliant la chimie interfaciale, le comportement de nucléation du lithium et les performances électrochimiques à long terme.
« Bien que notre travail actuel se concentre sur une petite échelle de validation de concept, les techniques de dépôt de couches minces que nous utilisons sont évolutives, donc si les concepts s’avèrent concluants, ils peuvent être adaptés relativement facilement à une fabrication à plus grande échelle », a déclaré Hemmerling.
Source : SwRI
