Grâce à cette avancée, les batteries entièrement solides se rapprochent de la prochaine génération d’énergie.

Des scientifiques réduisent la résistance des batteries entièrement solides par chauffage.

Des chercheurs de Tokyo Tech, de l’AIST et de l’Université de Yamagata ont mis au point une stratégie visant à rétablir leur faible résistance électrique. Ils explorent également le mécanisme de réduction sous-jacent, ouvrant la voie à une compréhension plus fondamentale du fonctionnement des batteries au lithium à l’état solide.

Les batteries au lithium entièrement solides sont devenues le nouvel engouement pour la science et l’ingénierie des matériaux, car les batteries lithium-ion classiques ne peuvent plus répondre aux normes des technologies avancées, telles que les véhicules électriques, qui exigent des densités d’énergie élevées, une charge rapide et des cycles de vie longs. Les batteries entièrement solides, qui utilisent un électrolyte solide au lieu de l’électrolyte liquide que l’on trouve dans les batteries traditionnelles, non seulement répondent à ces normes mais sont comparativement plus sûres et plus pratiques car elles ont la possibilité de se charger en peu de temps.

Cependant, l’électrolyte solide présente ses propres difficultés. Il s’avère que l’interface entre l’électrode positive et l’électrolyte solide présente une résistance électrique importante dont l’origine n’est pas bien comprise. De plus, cette résistance augmente lorsque la surface de l’électrode est exposée à l’air, ce qui dégrade la capacité et les performances de la batterie. Si plusieurs tentatives ont été faites pour diminuer la résistance, aucune n’a réussi à la ramener à 10 Ω cm.² (ohm centimètre carré), la valeur de résistance de l’interface rapportée lorsqu’elle n’est pas exposée à l’air.

Crédit : Shigeru Kobayashi et Taro Hitosugi de l’Institut de Technologie de Tokyo.

Maintenant, dans une étude récente publiée dans ACS Applied Materials & ; Interfaces.une équipe de recherche dirigée par le professeur Taro Hitosugi de l’Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech), au Japon, et Shigeru Kobayashi, étudiant en doctorat à Tokyo Tech, ont peut-être enfin résolu ce problème. En établissant une stratégie pour rétablir la faible résistance de l’interface et en découvrant le mécanisme à l’origine de cette réduction, l’équipe a fourni des informations précieuses pour la fabrication de batteries à l’état solide très performantes. Cette étude est le résultat d’une recherche conjointe de Tokyo Tech, de l’Institut national des sciences et technologies industrielles avancées (AIST) et de l’Université de Yamagata.

Pour commencer, l’équipe a préparé des batteries à couche mince comprenant une électrode négative au lithium, un LiCoO₂ et une électrode positive en Li₃PO₄ électrolyte solide. Avant de terminer la fabrication d’une batterie, l’équipe a exposé le LiCoO₂ à l’air, à l’azote (N₂), l’oxygène (O₂), le dioxyde de carbone (CO₂), l’hydrogène (H₂), et la vapeur d’eau (H₂O) pendant 30 minutes.

A leur surprise, ils ont trouvé que l’exposition à N₂, O₂, CO₂et H₂n’ont pas dégradé les performances de la batterie par rapport à une batterie non exposée. ” Seuls H₂O dégrade fortement les performances de la batterie Li₃PO₄ – LiCoO₂ et augmente drastiquement sa résistance à une valeur plus de 10 fois supérieure à celle de l’interface non exposée”, explique le professeur Hitosugi.

L’équipe a ensuite réalisé un processus appelé “recuit”, dans lequel l’échantillon a subi un traitement thermique à 150^°C pendant une heure, sous forme de batterie, c’est-à-dire avec l’électrode négative déposée. Étonnamment, cela a permis de réduire la résistance à 10,3 Ω cm.², comparable à celle de la batterie non exposée !

En effectuant des simulations numériques et des mesures de pointe, l’équipe a ensuite révélé que la réduction pouvait être attribuée à l’élimination spontanée des protons à l’intérieur du LiCoO₂ pendant le recuit.

“Notre étude montre que les protons dans la structure LiCoO₂ jouent un rôle important dans le processus de récupération. Nous espérons que l’élucidation de ces processus microscopiques interfaciaux contribuera à élargir le potentiel d’application des batteries à l’état solide”, conclut le professeur Hitosugi.

Référence : “Réduction drastique de larésistance de l’interface électrolyte solide-électrode par recuit sous forme de batterie” 7 janvier 2022, ACS Applied Materials & ; Interfaces.
DOI : 10.1021/acsami.1c17945