Pour les batteries tout solide, déplacer efficacement les ions lithium n’est qu’une partie du défi la façon dont le matériau se comporte mécaniquement peut aussi compter.
Des chercheurs de l’Université Rice, issus des départements de génie chimique et biomoléculaire, de chimie et de science et ingénierie des matériaux, ainsi que du Rice Advanced Materials Institute, ont développé un matériau relativement souple et flexible capable de transporter sélectivement les ions lithium offrant une nouvelle approche des électrolytes solides poreux qui combinent un déplacement efficace des ions à une meilleure adaptabilité mécanique à l’intérieur d’une batterie.
Le matériau, appelé ZnBTCA, est un réseau métallo-organique, ou MOF : un type de matériau cristallin poreux constitué d’atomes métalliques reliés par des molécules organiques. Les MOF contiennent de minuscules canaux ordonnés qui peuvent être ajustés pour déplacer ou retenir des molécules et des ions spécifiques, ce qui en fait des candidats attrayants pour les électrolytes de batteries. De nombreux MOF explorés comme électrolytes de batteries sont construits à partir de linkers aromatiques relativement rigides. ZnBTCA adopte une approche différente : il utilise un linker aliphatique flexible qui rend le réseau lui-même plus souple et plus adaptable mécaniquement. Le matériau est également constitué de composants relativement abondants et peu coûteux, notamment du zinc et d’un linker aliphatique bon marché.
« Les électrolytes MOF sont souvent conçus principalement autour de leur efficacité à transporter les ions », a déclaré la première auteure Zina Deriche, étudiante de deuxième cycle en génie chimique et biomoléculaire à Rice. « Ici, nous montrons que les propriétés mécaniques du réseau peuvent également constituer une part importante de la conception. »
Les batteries tout solide remplacent les électrolytes liquides inflammables utilisés dans les batteries lithium-ion classiques par des matériaux solides, améliorant potentiellement la sécurité et la densité énergétique. Cependant, pour de nombreux électrolytes MOF, leurs structures cristallines relativement rigides peuvent rendre plus difficile le maintien d’un contact étroit avec les surfaces des électrodes. Le défi consiste à préserver un transport efficace et sélectif des ions lithium tout en rendant le matériau plus adaptable sur le plan mécanique.
L’équipe de Rice a conçu ZnBTCA en gardant ces deux défis à l’esprit. Ses briques moléculaires flexibles le rendent relativement souple, tandis que sa structure chargée négativement favorise le mouvement des ions lithium chargés positivement à travers ses canaux.
« Ce qui est passionnant, c’est que le même matériau réunit deux propriétés utiles », a déclaré Stavroula Alina Kampouri, auteure correspondante de l’étude et professeure adjointe de génie chimique et biomoléculaire, de chimie et de science et ingénierie des matériaux. « Ses briques constitutives flexibles rendent le réseau plus souple et plus adaptable, tandis que sa structure chargée négativement favorise le transport sélectif des ions lithium. Réunir ces propriétés nous offre une nouvelle manière de concevoir des électrolytes MOF en prenant en compte à la fois la façon dont les ions se déplacent et celle dont le matériau se comporte mécaniquement. »
Après avoir échangé les ions sodium présents dans le matériau contre du lithium, les chercheurs ont constaté qu’environ 95 % des ions mobiles d’équilibrage de charge étaient du lithium, tandis que le réseau restait structurellement intact. Les tests ont également montré que les ions lithium transportaient environ 79 % du courant ionique à travers le matériau.
Le court-circuit est une préoccupation importante dans les batteries lithium-métal, où une croissance inégale du lithium lors des cycles répétés de charge et de décharge peut finir par créer des chemins électriques indésirables à travers l’électrolyte. L’équipe a incorporé ZnBTCA dans une membrane d’électrolyte solide et l’a placée entre deux électrodes en lithium-métal. Les cellules ont fonctionné de manière stable pendant près de 300 heures tandis que les chercheurs augmentaient progressivement le courant, sans aucun signe de court-circuit dans les conditions testées.
Les résultats suggèrent que la flexibilité mécanique pourrait devenir un autre outil de conception pour les chercheurs qui développent des électrolytes MOF, aux côtés de facteurs tels que la composition chimique, la structure des pores et la charge.
« À notre connaissance, ZnBTCA est le premier électrolyte MOF construit à partir d’un linker aliphatique doté d’un squelette flexible de chaîne carbonée », a déclaré Sibani Lisa Biswal, présidente du département de génie chimique et biomoléculaire, titulaire de la chaire William M. McCardell de génie chimique et professeure de science et ingénierie des matériaux. « Ce que ce travail montre, c’est que nous pouvons penser au-delà de la seule chimie et de la structure poreuse de ces matériaux. La flexibilité mécanique peut elle aussi devenir un outil de conception pour développer des électrolytes MOF destinés aux batteries tout solide. »
Article : Intrinsic linker flexibility in an anionic metal–organic framework electrolyte for selective lithium-ion conduction – Journal : Chemical Science – DOI : Lien vers l’étude
Source : Rice U.
