Un électrolyte solide – plutôt que liquide – placé entre les électrodes opposées d’une batterie devrait, en théorie, permettre une batterie lithium-métal rechargeable plus sûre, à la densité énergétique bien supérieure et à la charge considérablement plus rapide que les batteries lithium-ion commercialisées aujourd’hui. Pendant des décennies, scientifiques et ingénieurs ont exploré plusieurs voies pour concrétiser le grand potentiel des batteries lithium-métal. Un problème majeur des électrolytes solides cristallins étudiés a été la formation de microfissures qui se propagent à l’usage jusqu’à la défaillance de la batterie.
Des chercheurs de Stanford, s’appuyant sur des découvertes qu’ils avaient publiées il y a trois ans et qui identifiaient comment ces minuscules fractures, bosses et autres imperfections se forment et s’étendent, ont découvert qu’un recuit d’un revêtement d’argent extrêmement fin à la surface de l’électrolyte solide semble largement résoudre le problème. Comme rapporté dans Nature Materials aujourd’hui, ce revêtement renforce par cinq la résistance à la fissuration sous pression mécanique. Il rend également les imperfections existantes beaucoup moins vulnérables à l’infiltration du lithium, en particulier lors d’une recharge rapide, qui transforme les nanofissures en nanocrévasses et finit par rendre la batterie inutile.
« Les électrolytes solides sur lesquels nous et d’autres travaillons sont un type de céramique qui permet aux ions lithium de faire des allers-retours facilement, mais elle est fragile, explique Wendy Gu, professeure associée en génie mécanique et auteure principale de l’étude. À une échelle incroyablement petite, ce n’est pas sans rappeler les assiettes ou bols en céramique que vous avez chez vous, qui présentent de minuscules fissures en surface.
« Une batterie tout solide du monde réel est constituée d’empilements de feuilles cathode-électrolyte-anode. Les fabriquer sans même la plus infime imperfection serait quasiment impossible et très coûteux, poursuit W. Gu. « Nous avons pensé qu’une surface protectrice pourrait être plus réaliste, et un tout petit peu d’argent semble faire un assez bon travail. »
L’échange argent-lithium
Des recherches antérieures menées par d’autres scientifiques avaient étudié l’utilisation de revêtements métalliques d’argent sur le même matériau d’électrolyte solide – connu sous le nom de « LLZO » pour son mélange d’atomes de lithium, lanthane et zirconium, ainsi que d’oxygène – utilisé dans l’étude actuelle. Alors que les études précédentes utilisaient de l’argent métallique pour améliorer les performances de la batterie, la nouvelle étude a utilisé une forme dissoute d’argent ayant perdu un électron (Ag+). Cet argent chargé et dissous, contrairement à l’argent métallique solide, est directement responsable du durcissement de la céramique contre la formation de fissures.
Les chercheurs ont déposé une couche d’argent de 3 nanomètres d’épaisseur sur des surfaces de LLZO, puis ont chauffé les échantillons à 300 degrés Celsius (572° Fahrenheit). Pendant le chauffage, les atomes d’argent ont diffusé dans la surface de l’électrolyte, échangeant leur place avec des atomes de lithium bien plus petits sur une profondeur de 20 à 50 nanomètres dans la structure cristalline relativement poreuse. L’argent est resté sous forme d’ions chargés positivement plutôt que d’argent métallique, ce que les scientifiques estiment être la clé pour empêcher la formation de fissures. Là où des imperfections existent, la présence d’ions argent positifs empêche également le lithium de s’infiltrer et de former des branches destructrices à l’intérieur de l’électrolyte.
« Notre étude montre qu’un dopage à l’argent à l’échelle nanométrique peut fondamentalement modifier la façon dont les fissures naissent et se propagent à la surface de l’électrolyte, produisant des électrolytes solides durables et résistants à la défaillance pour les technologies de stockage d’énergie de nouvelle génération », déclare Xin Xu, qui a dirigé la recherche en tant que chercheur postdoctoral à Stanford et est maintenant professeur assistant en ingénierie à l’Arizona State University.
« Cette méthode pourrait être étendue à une large classe de céramiques. Elle démontre que des revêtements de surface ultraminces peuvent rendre l’électrolyte moins fragile et plus stable dans des conditions électrochimiques et mécaniques extrêmes, comme la charge rapide et la pression », explique Xu, qui a travaillé à Stanford dans le laboratoire du Pr William Chueh, auteur principal de l’étude et directeur du Precourt Institute for Energy, qui fait partie de la Stanford Doerr School of Sustainability.
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À l’aide d’une sonde spécialisée dans un microscope électronique à balayage, les chercheurs ont mesuré la force nécessaire pour fracturer la surface. L’électrolyte solide traité à l’argent a nécessité près de cinq fois plus de pression pour se fissurer, comparé au matériau non traité.
Perspectives
L’équipe de recherche a testé des zones localisées de petits échantillons plutôt que des cellules de batterie complètes. Reste à voir si ce traitement à l’argent sera applicable à de grands formats, fonctionnera avec d’autres composants de batterie et maintiendra ses performances sur des milliers de cycles de charge.
Avec des cellules de batteries tout solide lithium-métal complètes, l’équipe étudie maintenant diverses stratégies d’application de pression mécanique selon différents angles, qui pourraient prolonger la durée de vie des batteries. Ils étudient également des méthodes pour prévenir la défaillance dans d’autres types d’électrolytes solides, comme ceux à base de soufre, qui pourraient offrir des avantages supplémentaires tels qu’une meilleure stabilité chimique avec le lithium. L’application de ces découvertes aux batteries émergentes à base de sodium est aussi une possibilité intrigante, qui pourrait aider à alléger les contraintes de la chaîne d’approvisionnement des batteries au lithium.
Le métal utilisé ne doit pas nécessairement être l’argent, ont déclaré les chercheurs, bien que les ions métalliques doivent être plus gros que les ions lithium qu’ils remplacent dans la structure de l’électrolyte. Des tests avec le cuivre ont fonctionné, mais pas aussi bien qu’avec l’argent, ont-ils ajouté.
Article : Heterogeneous doping via nanoscale coating impacts the mechanics of Li intrusion in brittle solid electrolytes – Journal : Nature Materials – Méthode : Experimental study
Les autres auteurs principaux de l’étude avec Gu et Chueh sont Yue Qi, professeur d’ingénierie à l’Université Brown. Les co-auteurs principaux de Stanford avec Xu sont Teng Cui, maintenant professeur assistant à l’Université de Waterloo ; Geoff McConohy, maintenant ingénieur de recherche chez Orca Sciences ; et le doctorant actuel Samuel S. Lee. Harsh Jagad, ancien élève de l’Université Brown et maintenant directeur de la technologie chez Metal Light, Inc., est également co-auteur principal de l’étude.
Source : Stanford U.
