Multiplication par sept de la durée de vie des piles à l'état solide sans anode à l'aide de couches minces de MoS₂
L'utilisation de films minces MoS₂ économiques à la place de métaux nobles coûteux permet de résoudre les problèmes de dépôt non uniforme de lithium et d'instabilité interfaciale dans les piles à l'état solide sans anode
Des chercheurs sud-coréens ont mis au point une technologie qui multiplie par sept la durée de vie des batteries à l'état solide sans anode de la prochaine génération (AFASSB) en utilisant un matériau bidimensionnel rentable.
Ki-Seok An et Dong-Bum Seo de l'Institut coréen de recherche en technologie chimique (KRICT), ainsi que le groupe du professeur Sangbaek Park de l'université nationale de Chungnam, a réussi à améliorer la durabilité des AFASSB en appliquant une couche sacrificielle de disulfure de molybdène (MoS₂) produite par dépôt chimique en phase vapeur métallo-organique (MOCVD) sur des collecteurs de courant en acier inoxydable (SUS).
Les batteries lithium-ion conventionnelles utilisent des électrolytes liquides et peuvent souffrir de la croissance de dendrites de lithium pendant la charge - en particulier en raison du dépôt inégal de lithium sur la surface de l'anode - qui peuvent percer le séparateur et provoquer des courts-circuits ou un emballement thermique. Les batteries à l'état solide (SSB), qui remplacent les électrolytes liquides inflammables par des électrolytes à l'état solide (SE), offrent une sécurité accrue, une densité énergétique plus élevée et des performances stables à basse température.
Pour aller plus loin, les AFASSB éliminent complètement l'anode lors de la fabrication. Au lieu de cela, les ions lithium migrent de la cathode pendant la charge initiale et se déposent sur le collecteur de courant, formant une couche de lithium. Cette structure maximise la densité énergétique en réduisant le volume de la cellule. Cependant, la formation répétée d'une couche de lithium à l'interface SE-collecteur de courant (CC) entraîne souvent une instabilité interfaciale et une réduction de la durée de vie. Bien que des revêtements de métaux nobles (par exemple, Ag, In) aient été utilisés pour stabiliser l'interface, leur coût élevé et leur traitement complexe entravent leur commercialisation.
Pour surmonter ces difficultés, les chercheurs ont appliqué des couches minces de MoS₂ à faible coût sur les CC SUS par MOCVD. Au cours du cycle, le MoS₂ subit une réaction de conversion avec le lithium pour former du métal Mo et du sulfure de lithium (Li₂S), qui agissent comme une couche interfaciale lithiophile. Cette couche intermédiaire contribue à supprimer la croissance dendritique du lithium et à améliorer la stabilité interfaciale.
Lors des essais, les piles dotées de CC revêtus de MoS₂ ont fonctionné de manière stable pendant plus de 300 heures, alors que les piles utilisant des SUS nus ont été court-circuitées après environ 95 heures, soit une amélioration d'un facteur 3,2. Les piles complètes avec des couches de MoS₂ ont également atteint une capacité de décharge initiale 1,18 fois plus élevée (136,1 → 161,1 mAh/g) et une rétention de capacité sept fois supérieure (8,3 % → 58,9 % après 20 cycles).
Bien qu'elle en soit encore à un stade précoce de développement, l'équipe de recherche prévoit une mise en œuvre pratique d'ici 2032. Elle a souligné l'importance du remplacement des métaux nobles par du MoS₂ à faible coût pour faire progresser les AFASSB. Young-Kuk Lee, président du KRICT, a déclaré : "Il s'agit d'une technologie de base de la prochaine génération qui pourrait accélérer la commercialisation des batteries à l'état solide dans diverses applications."
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Publication originale
Dong-Bum Seo, Dohun Kim, Mee-Ree Kim, Jimin Kwon, Hyeong Jun Kook, Saewon Kang, Soonmin Yim, Sun Sook Lee, Dong Ok Shin, Ki-Seok An, Sangbaek Park; "Tailoring Artificial Solid Electrolyte Interphase via MoS2 Sacrificial Thin Film for Li-Free All-Solid-State Batteries"; Nano-Micro Letters, Volume 17, 2025-4-18
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