L’ajout d’un liquide ionique au matériau de la cathode comble les vides structurels et offre une meilleure interface avec l’électrolyte solide. Crédit : Université métropolitaine de Tokyo
Les électrodes à l’état quasi-solide permettent une réduction significative de la résistance interfaciale.
Des chercheurs de l’Université métropolitaine de Tokyo ont mis au point une nouvelle cathode quasi-solide pour les batteries lithium-métal à l’état solide, avec une résistance interfaciale considérablement réduite entre la cathode et un électrolyte solide. En ajoutant un liquide ionique, leur cathode modifiée a pu maintenir un excellent contact avec l’électrolyte. Leur prototype de batterie a également montré une bonne rétention de la capacité. Bien que trouver le meilleur liquide ionique reste un défi, cette idée promet de nouvelles directions dans le développement de batteries solides au lithium pour des applications pratiques.
Les batteries lithium-ion sont devenues omniprésentes, trouvant leur place dans nos smartphones, ordinateurs portables, outils électriques et véhicules électriques. Mais comme nous recherchons de meilleures solutions avec une densité énergétique plus élevée, les scientifiques se sont tournés vers les batteries au lithium à l’état solide. métal solides. Les batteries au lithium métal ont potentiellement une densité énergétique beaucoup plus élevée que leurs homologues Li-ion. Elles sont considérées comme l’avenir des batteries, qui alimenteront les véhicules et les réseaux à grande échelle.
Cependant, des problèmes techniques empêchent les batteries lithium-métal à l’état solide de se frayer un chemin vers des applications exigeantes. L’un des principaux problèmes est la conception de l’interface entre les électrodes et les électrolytes solides. Les électrolytes des batteries Li-ion sont généralement liquides et hautement inflammables, ce qui pose un risque pour la sécurité. C’est pourquoi les gens ont essayé d’utiliser un électrolyte solide à la place. Cependant, il est difficile d’obtenir un bon contact entre les électrodes et les électrolytes solides. Toute rugosité de surface de part et d’autre entraîne une résistance interfaciale élevée, ce qui nuit aux performances de la batterie. Certains travaux ont porté sur la conception de l’électrolyte solide, mais la conception de la cathode reste un problème ouvert.
Une équipe dirigée par le professeur Kiyoshi Kanamura de l’Université métropolitaine de Tokyo a développé de nouvelles façons d’améliorer le contact entre la cathode et l’électrolyte solide dans les batteries solides au lithium métal. Ils ont réussi à créer un oxyde de cobalt et de lithium (LiCoO) quasi-solide.2) qui contient un liquide ionique à température ambiante. Les liquides ioniques sont constitués d’ions positifs et négatifs ; ils peuvent également transporter des ions. Il est important de noter qu’ils peuvent remplir tous les petits vides à l’interface cathode/électrolyte solide. Une fois les vides remplis, la résistance interfaciale a considérablement diminué.
La méthode de l’équipe présente également d’autres avantages. Les liquides ioniques sont non seulement ioniquement conducteurs, mais aussi presque non volatils et généralement ininflammables. Ils ont également un effet minimal sur la boue à partir de laquelle la cathode est formée, laissant le processus de fabrication pratiquement intact. L’équipe a fait la démonstration d’un prototype de batterie fabriqué avec sa cathode quasi-solide et un électrolyte solide “grenat” (en référence à sa structure), qui a montré une bonne rechargeabilité, avec une conservation de 80 % de la capacité après 100 cycles de charge/décharge à une température élevée de 60°C. Une étude plus poussée a également révélé une teneur optimale en liquide ionique de 11 % en poids.
Des problèmes subsistent, comme celui de trouver un meilleur liquide ionique qui ne se dégrade pas aussi facilement. Cependant, le nouveau paradigme de l’équipe promet de nouvelles orientations passionnantes pour la recherche sur les batteries lithium-métal à l’état solide, avec la possibilité de les faire sortir du laboratoire et de les faire entrer dans nos vies.
Référence : “Des cathodes contenant des liquides ioniques renforçant les électrolytes solides céramiques” par Eric Jianfeng Cheng, Mao Shoji, Takeshi Abe et Kiyoshi Kanamura, 10 février 2022, iScience.
DOI: 10.1016/j.isci.2022.103896
Ce travail a été soutenu par le programme de recherche et de développement des technologies avancées à faible émission de carbone (ALCA)-Specially Promoted Research for Innovative Next Generation Batteries (SPRING) (subvention n° JPMJAL1301) de l’Agence japonaise des sciences et des technologies (JST).
