Un groupe de chercheurs de l’Institut de Technologie de Tokyo (Tokyo Tech) vient de formuler une règle de conception novatrice pour les électrolytes solides, permettant une conductivité accrue des ions lithium. Leur travail a permis la création de matériaux à haute entropie tout en préservant leurs voies de conduction superionique.
Alors que le monde se tourne vers une économie énergétique plus verte et durable, la dépendance vis-à-vis des batteries au lithium (Li) devrait augmenter. Des scientifiques du monde entier s’attèlent à la conception de batteries de plus en plus compactes tout en restant performantes, pour répondre à la demande toujours croissante de stockage d’énergie.
Dans cette optique, les batteries tout solides au lithium (ASSLBs) ont suscité l’intérêt de la recherche pour leur utilisation innovante d’électrolytes solides en lieu et place des électrolytes liquides conventionnels. Ces électrolytes solides renforcent la sécurité des batteries contre les fuites et les risques d’incendie, et offrent des caractéristiques énergétiques et de puissance supérieures.
Toutefois, leur rigidité entraîne une mauvaise mouillabilité de la surface de la cathode et un approvisionnement inhomogène des ions Li à la cathode, causant une perte de capacité dans la batterie tout solide. Ce problème est d’autant plus flagrant dans les électrodes de batterie épaisses, telles que celles d’un millimètre d’épaisseur, qui sont une configuration d’électrode plus avantageuse pour réaliser un emballage de batterie à haute densité d’énergie et à faible coût, par rapport à une électrode conventionnelle de moins de 0,1 mm d’épaisseur.
Un pas vers la solution
Une étude récente publiée dans Science a trouvé un moyen de surmonter ce problème. L’équipe de chercheurs dirigée par le Professeur Ryoji Kanno de Tokyo Tech a élaboré une stratégie pour produire des électrolytes solides présentant une conductivité accrue des ions Li. Leur travail établit une règle de conception pour la synthèse de cristaux à haute entropie de conducteurs superioniques de lithium par une approche de multi-substitution.
De nombreuses études ont montré que les conducteurs ioniques inorganiques tendent à présenter une meilleure conductivité ionique après substitution multi-élément, probablement en raison de l’aplatissement de la barrière potentielle de migration des ions Li, qui est essentielle pour une meilleure conductivité ionique », souligne le Professeur Kanno.
C’est sur cette base que leur recherche a commencé. Pour la conception de leur nouveau matériau, l’équipe a tiré inspiration de la composition chimique de deux électrolytes solides à base de Li bien connus : les cristaux superioniques de type argyrodite (Li6PS5Cl) et de type LGPS (Li10GeP2S12).
Résultats notables
Les calculs théoriques suggèrent que la conductivité améliorée de l’électrolyte solide pourrait être due à l’aplatissement de la barrière énergétique pour la migration des ions, causé par un faible degré de substitution chimique dans le cristal mentionné ci-dessus.
Cette étude ouvre une nouvelle voie pour la préparation d’électrolytes solides à haute entropie pour des électrodes d’un millimètre d’épaisseur tout en préservant leurs voies de conduction superionique. « En effet, la règle de conception proposée jette les bases solides pour explorer de nouveaux conducteurs superioniques présentant des performances supérieures de charge-décharge, même à température ambiante« , conclut le Professeur Kanno.
Auteurs : Yuxiang Li1, Subin Song2, Hanseul Kim2, Kuniharu Nomoto1, Hanvin Kim1, Xueying Sun2, Satoshi Hori1, Kota Suzuki1, Naoki Matsui1, Masaaki Hirayama1,2, Teruyasu Mizoguchi3, Takashi Saito4,5,6, Takashi Kamiyama4,6, et Ryoji Kanno1
Titre :
Un conducteur superionique au lithium pour une électrode de batterie d’épaisseur millimétrique. Journal : Science | DOI : 10.1126/science.add7138
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