Plus haut, plus vite, plus loin avec les batteries à l'état solide
De nouvelles connaissances sur les effets de la charge d'espace pourraient améliorer l'efficacité
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Les batteries à l'état solide pourraient à l'avenir stocker l'électricité de manière plus efficace et plus sûre que les batteries actuelles à électrolyte liquide. Les charges d'espace qui se forment dans les batteries à l'état solide nuisent jusqu'à présent à leurs performances. * Les charges d'espace se forment surtout au pôle positif des batteries. Cela offre un point de départ pour empêcher leur formation en modifiant la structure ou le matériau de l'électrode.
Que ce soit dans l'électromobilité ou dans les accumulateurs stationnaires : Les batteries à l'état solide promettent une plus grande capacité de stockage et une plus grande sécurité. En effet, elles n'utilisent plus d'électrolyte liquide, mais un électrolyte solide. Elles ne peuvent donc pas fuir, et le risque d'incendie, certes très rare avec les batteries actuelles, mais dont on parle régulièrement, est lui aussi quasiment inexistant.
Des chercheurs ont étudié de plus près la zone de charge d'espace qui se forme à l'intérieur d'une batterie au lithium. Grâce à leurs recherches, ils espèrent que de telles batteries pourraient devenir encore plus performantes à l'avenir.
© MPI-P
Résistance dans la pompe de charge
Des chercheurs de l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères et d'universités japonaises ont maintenant ouvert la possibilité de rendre les batteries à l'état solide plus performantes grâce à une étude publiée dans la revue spécialisée ACS Nano. "Une batterie est une sorte de pompe", explique Rüdiger Berger, chef de groupe à l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères. "A l'intérieur, des ions, c'est-à-dire des atomes chargés, se déplacent, ce qui doit être compensé à l'extérieur par un flux d'électrons et donc un flux de courant". Lorsque les ions se déplacent dans la batterie, une couche dite de charge d'espace peut se former aux interfaces internes de la batterie. Celles-ci repoussent les autres ions qui se déplacent. Cette couche de charge crée une résistance supplémentaire et donc des pertes à l'intérieur de la batterie - elle entrave aussi bien le processus de charge que celui de décharge.
Comme l'a maintenant découvert l'équipe de Mayence, l'effet se produit surtout à l'électrode positive, où se forme une couche de charge de moins de 50 nanomètres d'épaisseur - aussi fine que la partie la plus fine d'une bulle de savon. En outre, ils ont constaté quantitativement que la couche de charge d'espace est dynamique, c'est-à-dire qu'elle dépend de l'état de charge de la batterie. Cette couche de charge d'espace représente environ 7 pour cent de la résistance totale de la batterie, mais elle peut être beaucoup plus importante, selon les matériaux utilisés pour l'électrolyte.
Étude en cours de fonctionnement
Jusqu'à présent, on savait peu de choses sur la taille de cette couche de charge et sur son influence sur le flux de courant. Différentes équipes de recherche dans le monde ont déjà examiné cet effet dans des études antérieures, mais sont parvenues à des ordres de grandeur totalement différents pour l'épaisseur de la couche de charge, selon la méthode utilisée.
L'équipe internationale de Rüdiger Berger a donc étudié pour la première fois, à l'aide de deux méthodes microscopiques, où et comment se forme la couche de charge. Le défi consistait à examiner la couche limite d'une batterie modèle à l'aide de méthodes microscopiques, quasiment en cours de fonctionnement et dans différents états de charge.
Regard précis sur les charges d'espace
Pour l'étude actuelle, les chercheurs ont examiné une batterie modèle à couche mince, qu'ils avaient construite spécialement à cet effet, d'une part avec la microscopie à force de sonde de Kelvin et d'autre part avec l'analyse de réaction nucléaire. La microscopie à force de Kelvin leur a permis de balayer la section transversale de la pile - une sorte de pile coupée - avec une fine aiguille, ce qui leur a permis d'en savoir plus sur l'influence locale de la tension et d'observer les potentiels électriques en temps réel. Grâce à la Nuclear Reaction Analysis, ils ont mis en évidence l'enrichissement en lithium à l'interface avec le pôle positif de la batterie.
"Ces deux techniques sont nouvelles dans la recherche sur les batteries et pourront être utilisées à l'avenir pour d'autres questions", explique Taro Hitosugi de l'Université de Tokyo. Les chercheurs espèrent maintenant trouver un moyen de réduire la résistance et d'augmenter encore les performances des batteries à l'état solide en modifiant le matériau ou la structure de l'électrode.
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