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 à l'état solide de nouvelle génération. L'électrode composite solide-solide ainsi créée a démontré des capacités et des performances exceptionnelles en termes de vitesse de charge/décharge.
Le remplacement de l'électrolyte liquide organique des batteries lithium-ion conventionnelles par des électrolytes solides peut considérablement améliorer la sécurité et potentiellement repousser les limites de l'augmentation de la densité énergétique. Cependant, les matériaux d'électrode les plus courants sont également solides. Le contact entre deux solides étant quasiment impossible à égaler par rapport à celui entre un solide et un liquide, les batteries à électrolyte solide présentent actuellement un contact électrode-électrolyte médiocre et des performances globales insatisfaisantes.
« Le problème du contact électrode-électrolyte dans les batteries à l'état solide est comparable à la plus courte douelle d'un tonneau en bois », explique le professeur MA Cheng de l'USTC, principal auteur de l'étude. « En réalité, malgré les nombreuses électrodes et électrolytes solides performants développés au fil des années, le mauvais contact entre eux limite encore l'efficacité du transport des ions lithium. »
Heureusement, la stratégie de MA pourrait permettre de surmonter cet obstacle de taille. L'étude a débuté par l'examen atomique d'une phase d'impureté dans un prototype d'électrolyte solide à structure pérovskite. Bien que la structure cristalline de l'impureté et de l'électrolyte solide diffère considérablement, des interfaces épitaxiales se sont formées. Après une série d'analyses structurales et chimiques détaillées, les chercheurs ont découvert que la phase d'impureté est isostructurale avec les électrodes stratifiées riches en lithium à haute capacité. Autrement dit, un prototype d'électrolyte solide peut cristalliser sur le « modèle » formé par la structure atomique d'une électrode haute performance, aboutissant à des interfaces atomiquement intimes.
« C’est une véritable surprise », a déclaré LI Fuzhen, premier auteur de l’étude et actuellement doctorant à l’USTC. « La présence d’impuretés dans le matériau est en réalité un phénomène très courant, si courant qu’on l’ignore la plupart du temps. Cependant, en les examinant de près, nous avons découvert ce comportement épitaxial inattendu, qui a directement inspiré notre stratégie d’amélioration du contact solide-solide. »
Comparée à la méthode de pressage à froid couramment utilisée, la stratégie proposée par les chercheurs permet d'obtenir un contact complet et homogène entre les électrolytes solides et les électrodes à l'échelle atomique, comme le montre l'image de microscopie électronique à résolution atomique. (Fournie par l'équipe de MA.)
Tirant parti du phénomène observé, les chercheurs ont intentionnellement cristallisé une poudre amorphe de même composition que l'électrolyte solide à structure pérovskite sur la surface d'un composé lamellaire riche en lithium. Ils ont ainsi réussi à établir un contact complet et homogène entre ces deux matériaux solides au sein d'une électrode composite. Grâce à cette solution de contact électrode-électrolyte, cette électrode composite solide-solide a présenté une capacité de charge/décharge 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 tolère d'importantes différences de paramètres de maille. La stratégie proposée pourrait donc s'appliquer à de nombreux autres électrolytes solides à base de pérovskite et à des électrodes lamellaires.
« Ces travaux ont mis en lumière une piste prometteuse », a déclaré MA. « Appliquer le principe exposé ici à d'autres matériaux importants pourrait permettre d'obtenir des performances cellulaires encore meilleures et des découvertes scientifiques plus intéressantes. Nous avons hâte d'y voir plus clair. »
Les chercheurs ont l'intention de poursuivre leurs recherches dans cette direction et d'appliquer la stratégie proposée à d'autres cathodes à haute capacité et à haut potentiel.
L'étude, intitulée « Contact atomiquement intime entre électrolytes solides et électrodes pour batteries au lithium », a été publiée dans Matter, revue phare de Cell Press. Le premier auteur est LI Fuzhen, doctorant à l'USTC. Parmi les collaborateurs du professeur MA Cheng figurent le professeur NAN Ce-Wen de l'université Tsinghua et le docteur ZHOU Lin du laboratoire Ames.
(École de chimie et de sciences des matériaux)
Lien vers l'article : https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Date de publication : 3 juin 2019