Découverte de nouveaux matériaux pour des batteries lithium-ion à l'état solide sûres et performantes
Des scientifiques ont découvert un conducteur lithium-ion stable et hautement conducteur destiné à être utilisé comme électrolyte solide dans les batteries lithium-ion à l'état solide
Les batteries lithium-ion (Li-ion) à électrolytes solides sont ininflammables et ont une densité énergétique et un coefficient de transfert supérieurs à ceux des batteries à électrolytes liquides. Elles devraient prendre une part du marché des batteries Li-ion conventionnelles à électrolyte liquide, telles que les véhicules électriques. Cependant, malgré ces avantages, les électrolytes solides ont une conductivité Li-ion plus faible et posent des problèmes pour obtenir un contact adéquat entre l'électrode et l'électrolyte solide. Bien que les électrolytes solides à base de sulfure soient conducteurs, ils réagissent avec l'humidité pour former du disulfure d'hydrogène toxique. Il est donc nécessaire de disposer d'électrolytes solides non sulfurés qui soient à la fois conducteurs et stables dans l'air pour fabriquer des batteries Li-ion à l'état solide sûres, performantes et à charge rapide.
Dans une étude récente publiée dans Chemistry of Materials le 28 mars 2024, une équipe de recherche dirigée par le professeur Kenjiro Fujimoto, le professeur Akihisa Aimi de l'Université des sciences de Tokyo et le Dr Shuhei Yoshida de Denso Corporation, a découvert un conducteur Li-ion stable et hautement conducteur sous la forme d'un oxyfluorure de type pyrochlore.
Selon le professeur Fujimoto, "la fabrication de batteries secondaires lithium-ion à l'état solide est un rêve de longue date pour de nombreux chercheurs dans le domaine des batteries. Nous avons découvert un électrolyte solide à base d'oxyde qui est un composant clé des batteries lithium-ion à l'état solide, qui présentent à la fois une densité énergétique élevée et une grande sécurité. En plus d'être stable dans l'air, le matériau présente une conductivité ionique plus élevée que les électrolytes solides d'oxyde précédemment rapportés".
L'oxyfluorure de type pyrochlore étudié dans ce travail peut être désigné comme Li2-xLa(1+x)/3M2O6F(M = Nb, Ta). Il a fait l'objet d'une analyse structurelle et compositionnelle à l'aide de diverses techniques, notamment la diffraction des rayons X, l'analyse de Rietveld, la spectrométrie d'émission optique par plasma à couplage inductif et la diffraction des électrons dans une zone sélectionnée. Plus précisément, le Li1.25La0.58Nb2O6Fa été mis au point et présente une conductivité ionique globale de 7,0 mS cm-¹ et une conductivité ionique totale de 3,9 mS cm-¹ à température ambiante. Cette conductivité s'est avérée supérieure à la conductivité lithium-ion des électrolytes solides d'oxyde connus. L'énergie d'activation de la conduction ionique de ce matériau est extrêmement faible et sa conductivité ionique à basse température est l'une des plus élevées parmi les électrolytes solides connus, y compris les matériaux à base de sulfure.
Exactement, même à -10 °C, le nouveau matériau a la même conductivité que les électrolytes solides conventionnels à base d'oxyde à température ambiante. En outre, comme la conductivité au-dessus de 100 °C a également été vérifiée, la plage de fonctionnement de cet électrolyte solide s'étend de -10 °C à 100 °C. Les batteries lithium-ion conventionnelles ne peuvent pas être utilisées à des températures inférieures au point de congélation. Par conséquent, les conditions de fonctionnement des batteries lithium-ion pour les téléphones portables couramment utilisés sont comprises entre 0 °C et 45 °C.
Le mécanisme de conduction du lithium-ion dans ce matériau a été étudié. Le chemin de conduction de la structure de type pyrochlore couvre les ions F situés dans les tunnels créés par les octaèdres MO6. Le mécanisme de conduction est le mouvement séquentiel des ions Li- tout en changeant de liaison avec les ions F. Les ions Li- se déplacent vers la position Li la plus proche. Les ions Li se déplacent vers la position Li la plus proche en passant toujours par des positions métastables. Le La3+ immobile lié à l'ion F inhibe la conduction des ions Li- en bloquant le chemin de conduction et en faisant disparaître les positions métastables environnantes.
Contrairement aux batteries secondaires lithium-ion existantes, les batteries à l'état solide à base d'oxyde ne présentent aucun risque de fuite d'électrolyte en cas d'endommagement et aucun risque de production de gaz toxiques comme c'est le cas avec les batteries à base de sulfure. Cette nouvelle innovation devrait donc être à l'origine de futures recherches. "Le matériau nouvellement découvert est sûr et présente une conductivité ionique plus élevée que les électrolytes solides à base d'oxyde précédemment rapportés. L'application de ce matériau est prometteuse pour le développement de batteries révolutionnaires pouvant fonctionner dans une large gamme de températures, des plus basses aux plus élevées", envisage le professeur Fujimoto. "Nous pensons que les performances requises pour l'application des électrolytes solides aux véhicules électriques sont satisfaites.
En outre, le nouveau matériau est très stable et ne s'enflamme pas s'il est endommagé. Il convient aux avions et à d'autres endroits où la sécurité est essentielle. Il convient également aux applications de grande capacité, telles que les véhicules électriques, car il peut être utilisé à des températures élevées et permet une recharge rapide. En outre, il s'agit d'un matériau prometteur pour la miniaturisation des batteries, des appareils électroménagers et des dispositifs médicaux.
En résumé, les chercheurs ont non seulement découvert un conducteur Li-ion doté d'une conductivité élevée et d'une grande stabilité dans l'air, mais ils ont également introduit un nouveau type de conducteur superionique avec un oxyfluorure de type pyrochlore. L'exploration de la structure locale autour du lithium, leurs changements dynamiques au cours de la conduction et leur potentiel en tant qu'électrolytes solides pour les batteries à l'état solide sont des domaines importants pour la recherche future !
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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