Un électrolyte flexible pour les batteries solides
Un matériau polymère permet d'améliorer les batteries à l'état solide : cette innovation est le résultat d'une chimie astucieuse
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Les batteries à l'état solide n'utilisent pas d'électrolytes liquides inflammables et sont donc plus sûres que les batteries lithium-ion conventionnelles. Les chercheurs de l'Empa ont développé un électrolyte solide basé sur un polymère extensible. Ce matériau évolutif pourrait permettre le développement de meilleures batteries à l'état solide et être utilisé dans des batteries flexibles pour des applications médicales.
Voici une batterie : deux électrodes de polarités différentes et, entre elles, un électrolyte qui permet le transfert d'ions (et désactive la conductivité électronique) entre les électrodes et donc la charge et la décharge de la batterie. Dans la plupart des batteries, l'électrolyte est un liquide inflammable. Les batteries dites à l'état solide utilisent une substance solide comme électrolyte. Non seulement elles sont plus sûres, mais l'électrolyte solide permet également d'utiliser d'autres matériaux pour les électrodes, comme le lithium métal pur pour l'anode. Par conséquent, les batteries à électrolyte solide peuvent potentiellement atteindre des densités d'énergie beaucoup plus élevées, c'est-à-dire stocker plus d'électricité par volume - un avantage pour un large éventail d'applications, des voitures électriques à l'électronique portable.
Toutefois, comme c'est souvent le cas, cette technologie prometteuse présente encore quelques problèmes de départ qui posent des défis à la recherche et à l'industrie. Les chercheurs du Laboratoire des polymères fonctionnels de l'Empa travaillent sur un nouvel électrolyte qui pourrait résoudre plusieurs problèmes à la fois. Contrairement à la plupart des électrolytes pour batteries à semi-conducteurs qui sont constitués de matériaux rigides, leur électrolyte solide est souple et extensible.
Conducteur ionique à base de silicone
Cette innovation est le résultat d'une chimie astucieuse. Le polymère de départ de l'électrolyte est un polysiloxane, mieux connu sous le nom de silicone. Ce composé élastique présente un inconvénient majeur pour la recherche sur les batteries : Il est non polaire et donc incapable de dissoudre les particules chargées, les ions. Les chercheurs dirigés par Dorina Opris ont réussi à ajouter des groupes fonctionnels à la "colonne vertébrale" du polymère, ce qui en fait un bon conducteur d'ions tout en conservant ses propriétés élastiques avantageuses.
L'élasticité est un atout majeur de l'électrolyte polymère. Les batteries lithium-ion actuelles utilisent une anode à base de sels de lithium. L'utilisation de lithium métal pur comme matériau d'anode pourrait permettre d'atteindre des densités d'énergie plus élevées. Lorsque la batterie est déchargée, les ions lithium "migrent" loin de l'anode métallique ; lorsqu'elle est chargée, ils reviennent. Cependant, ils ne se déposent pas en une couche uniforme à la surface de l'anode, mais forment ce que l'on appelle des dendrites : des structures de lithium en forme d'arbre qui peuvent "pousser" jusqu'à la cathode en quelques cycles de charge et provoquer un court-circuit.
L'utilisation d'un électrolyte solide entrave la croissance des dendrites. Cependant, lorsque les ions s'éloignent de l'anode, ils laissent derrière eux des espaces vides, qui peuvent entraîner une perte de contact entre l'anode et l'électrolyte et réduire la capacité de la batterie. L'électrolyte élastique développé par les chercheurs de l'Empa fait ici d'une pierre deux coups : Il est suffisamment solide pour empêcher la formation de dendrites et suffisamment élastique pour combler les vides et compenser les variations de volume de l'anode lors de la charge et de la décharge.
Vers des batteries flexibles
Avec les matériaux d'électrodes appropriés, l'électrolyte pourrait également être utilisé pour fabriquer des batteries flexibles. "Les batteries actuelles pour les implants médicaux, tels que les stimulateurs cardiaques, sont généralement dures et inconfortables pour les patients", explique Dorina Opris. "Notre polymère peut servir non seulement d'électrolyte mais aussi de liant pour la cathode". Can Zimmerli, chercheur à l'Empa, ajoute : "Le polymère flexible peut être combiné avec différents matériaux actifs pour la cathode, ce qui permet de créer des batteries pour diverses applications.
La flexibilité et la sécurité ne sont pas les seuls avantages de cet électrolyte innovant. "Le matériau peut être transformé en films minces de quelques micromètres d'épaisseur, et il est extensible", explique M. Opris. "S'il est produit à l'échelle industrielle, il est également moins cher que les électrolytes polymères solides conventionnels. Les chercheurs travaillent actuellement à l'amélioration de la conductivité ionique de l'électrolyte de silicone, tout en recherchant un partenaire industriel approprié pour commencer à commercialiser la technologie.
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.
Publication originale
Faruk Okur, Yauhen Sheima, Can Zimmerli, Huanyu Zhang, Patrick Helbling, Ashling Fäh, Iacob Mihail, Jacqueline Tschudin, Dorina M. Opris, Maksym V. Kovalenko, Kostiantyn V. Kravchyk; "Nitrile‐functionalized Poly(siloxane) as Electrolytes for High‐Energy‐Density Solid‐State Li Batteries"; ChemSusChem, Volume 17, 2023-12-14
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