Le 21 août, le professeur MA Cheng de l'Université des sciences et technologies de Chine (USTC) et ses collaborateurs ont proposé une stratégie efficace pour résoudre le problème de contact électrode-électrolyte qui limite le développement des batteries lithium-ion solides de nouvelle génération. L'électrode composite solide-solide ainsi créée a montré des capacités et des performances exceptionnelles.
Remplacer l'électrolyte liquide organique des batteries Li-ion conventionnelles par des électrolytes solides pourrait grandement améliorer la sécurité et potentiellement briser le plafond de verre en matière d'amélioration de la densité énergétique. Cependant, les matériaux d'électrodes classiques sont également solides. Le contact entre deux solides étant quasiment impossible à obtenir aussi intimement qu'entre un solide et un liquide, les batteries actuelles à électrolytes solides présentent généralement un mauvais contact électrode-électrolyte et des performances cellule complète insatisfaisantes.
« Le problème du contact électrode-électrolyte des batteries solides est comparable à la plus petite lame d'un tonneau en bois », a déclaré le professeur MA Cheng de l'USTC, auteur principal de l'étude. « En réalité, au fil des ans, les chercheurs ont déjà développé d'excellentes électrodes et électrolytes solides, mais leur mauvais contact limite encore l'efficacité du transport des ions lithium. »
Heureusement, la stratégie de MA pourrait permettre de surmonter ce défi de taille. L'étude a débuté par l'examen atome par atome d'une phase d'impureté dans un prototype d'électrolyte solide à structure pérovskite. Bien que la structure cristalline diffère considérablement entre l'impureté et l'électrolyte solide, on a observé qu'ils formaient des interfaces épitaxiales. Après une série d'analyses structurales et chimiques détaillées, les chercheurs ont découvert que la phase d'impureté est isostructurale avec les électrodes feuilletées riches en lithium à haute capacité. Autrement dit, un prototype d'électrolyte solide peut cristalliser sur le « matriciel » formé par la structure atomique d'une électrode haute performance, créant ainsi des interfaces atomiquement proches.
« C'est une véritable surprise », a déclaré le premier auteur, LI Fuzhen, actuellement étudiant en troisième cycle à l'USTC. « La présence d'impuretés dans le matériau est un phénomène très courant, si fréquent qu'on les ignore la plupart du temps. Cependant, après les avoir examinées de près, nous avons découvert ce comportement épitaxial inattendu, qui a directement inspiré notre stratégie d'amélioration du contact solide-solide. »
Par rapport à l'approche de pressage à froid couramment adoptée, la stratégie proposée par les chercheurs peut réaliser un contact complet et transparent entre les électrolytes solides et les électrodes à l'échelle atomique, comme le reflète l'image de microscopie électronique à résolution atomique. (Fourni par l'équipe de MA.)
Tirant parti du phénomène observé, les chercheurs ont intentionnellement cristallisé la poudre amorphe de même composition que l'électrolyte solide à structure pérovskite à la surface d'un composé feuilleté riche en lithium, et ont ainsi réussi à obtenir un contact parfait et homogène entre ces deux matériaux solides dans une électrode composite. Une fois le problème du contact électrode-électrolyte résolu, cette électrode composite solide-solide a offert une capacité de vitesse comparable à celle d'une électrode composite solide-liquide. Plus important encore, les chercheurs ont également constaté que ce type de contact épitaxial solide-solide pouvait tolérer d'importantes disparités de maille, et que la stratégie proposée pourrait donc s'appliquer à de nombreux autres électrolytes solides et électrodes feuilletées à base de pérovskite.
« Ces travaux ont ouvert une voie qui mérite d'être poursuivie », a déclaré MA. « Appliquer le principe évoqué ici à d'autres matériaux importants pourrait conduire à des performances cellulaires encore meilleures et à des recherches scientifiques plus intéressantes. Nous avons hâte de voir cela. »
Les chercheurs ont l’intention de poursuivre leur exploration dans cette direction et d’appliquer la stratégie proposée à d’autres cathodes à haute capacité et à haut potentiel.
L'étude a été publiée dans Matter, une revue phare de Cell Press, sous le titre « Contact atomiquement intime entre électrolytes solides et électrodes pour batteries au lithium ». Le premier auteur est LI Fuzhen, étudiant diplômé de l'USTC. Le professeur MA Cheng collabore notamment avec le professeur NAN Ce-Wen de l'université Tsinghua et le Dr ZHOU Lin du laboratoire Ames.
(École de chimie et des sciences des matériaux)
Lien vers l'article : https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Date de publication : 03/06/2019