Une nouvelle approche pour la synthèse des batteries à l’état solide

Dans le domaine des batteries rechargeables au lithium-ion, une nouvelle approche encourageante pourrait avantager leur puissance et leur coût. L’un des défis majeurs restent de trouver une méthode de production qui fonctionne sans frittage à haute température.

Une équipe de recherche a récemment introduit une méthode sans frittage pour la synthèse efficace et à basse température de ces céramiques sous une forme cristalline conductrice.

Le défi des batteries pour véhicules électriques

Deux facteurs dominent le développement des batteries pour les véhicules électriques : la puissance, qui détermine l’autonomie du véhicule, et le coût, qui est crucial dans la compétition avec les moteurs à combustion interne.

Aux États-Unis, le département de l’énergie des États-Unis veut accélérer la transition des véhicules thermiques vers les véhicules électriques. Il a fixé des objectifs ambitieux pour réduire les coûts de production et augmenter la densité énergétique des batteries d’ici 2030. Ces objectifs ne peuvent être atteints avec les batteries lithium-ion conventionnelles.

Une nouvelle approche : les batteries à l’état solide

Une approche très prometteuse pour réaliser des batteries plus petites, plus légères, nettement plus puissantes et plus sûres consiste à utiliser des batteries à l’état solide avec des anodes en lithium métallique au lieu de graphite.

Contrairement aux batteries lithium-ion conventionnelles, qui ont des électrolytes organiques liquides et utilisent un film de polymère pour séparer les compartiments anodiques et cathodiques, tous les composants d’une batterie à l’état solide sont solides. Une mince couche de céramique fonctionne simultanément comme un électrolyte solide et un séparateur.

Elle demeure très efficace contre les courts-circuits dangereux causés par la croissance des dendrites de lithium et la fuite thermique. De plus, elles ne contiennent pas de liquides facilement inflammables.

Le rôle de la céramique de lithium

Un électrolyte/séparateur céramique adapté pour les batteries à haute densité énergétique est l’oxyde de lithium de type grenat Li7La3Zr2O12−d (LLZO). Ce matériau doit être fritté avec la cathode à plus de 1050 °C pour convertir le LLZO en phase cristalline cubique conductrice de lithium rapide, le densifier suffisamment et le lier fortement à l’électrode.

Des températures supérieures à 600 °C déstabilisent toutefois les matériaux de cathode durables à faible teneur en cobalt ou sans cobalt tout en augmentant les coûts de production et la consommation d’énergie.

De nouvelles méthodes de production plus économiques et durables sont nécessaires.

Une nouvelle méthode de synthèse

Une équipe dirigée par Jennifer L. M. Rupp au MIT, Cambridge, USA, et TU Munich, Allemagne, a développé une nouvelle méthode de synthèse.

Leur nouveau processus n’est pas basé sur un composé précurseur céramique, mais un liquide, qui est directement densifié pour former du LLZO dans une synthèse de décomposition séquentielle.

Pour optimiser les conditions de cette voie de synthèse, Rupp et son équipe ont analysé la transformation de phase en plusieurs étapes du LLZO d’une forme amorphe à la forme cristalline requise (cLLZO) en utilisant une variété de méthodes (spectroscopie Raman, calorimétrie différentielle dynamique) et ont produit un diagramme de transformation temps-température.

En synthèse

Sur la base des informations qu’ils ont obtenues sur le processus de cristallisation, ils ont développé une voie par laquelle le cLLZO est obtenu sous forme de film solide dense après 10 heures de recuit à la température relativement basse de 500 °C – sans frittage. Pour les futurs designs de batteries, cette méthode permettra l’intégration de l’électrolyte solide LLZO avec des cathodes durables qui pourraient éviter l’utilisation d’éléments socio-économiquement critiques tels que le cobalt.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que les batteries à l’état solide ?

Les batteries à l’état solide sont une nouvelle génération de batteries qui utilisent des batteries à l’état solide avec des anodes en lithium métallique au lieu de graphite. Contrairement aux batteries lithium-ion conventionnelles, tous les composants d’une batterie à l’état solide sont solides, y compris l’électrolyte.

Quel est le rôle de la céramique de lithium dans ces batteries ?

La céramique de lithium, spécifiquement l’oxyde de lithium de type grenat (LLZO), agit comme un électrolyte solide et un séparateur dans les batteries à l’état solide. Elle est très efficace contre les courts-circuits dangereux et la fuite thermique.

Quel est le défi de la production de ces batteries ?

Le défi majeur est de trouver une méthode de production qui fonctionne sans frittage à haute température. Le LLZO doit être fritté avec la cathode à plus de 1050 °C pour le convertir en phase cristalline conductrice de lithium rapide, le densifier suffisamment et le lier fortement à l’électrode.

Quelle est la nouvelle méthode de synthèse proposée ?

Une équipe de recherche a développé une nouvelle méthode de synthèse qui n’est pas basée sur un composé précurseur céramique, mais un liquide. Ce liquide est directement densifié pour former du LLZO dans une synthèse de décomposition séquentielle.

Quels sont les avantages de cette nouvelle méthode ?

Cette nouvelle méthode permet d’obtenir du LLZO sous forme de film solide dense après 10 heures de recuit à la température relativement basse de 500 °C, sans frittage. Cela pourrait permettre l’intégration de l’électrolyte solide LLZO avec des cathodes durables qui pourraient éviter l’utilisation d’éléments socio-économiquement critiques tels que le cobalt.

Source : Angewandte Chemie, équipe de recherche dirigée par Jennifer L. M. Rupp au MIT, Cambridge, USA, et TU Munich, Allemagne

Article : « Time-Temperature-Transformation (TTT) Diagram of Battery-Grade Li-Garnet Electrolytes for Low-Temperature Sustainable Synthesis » – DOI: 10.1002/anie.202304581