Comment l'oxygène intrinsèque réduit la durée de vie des batteries à semi-conducteurs

Les batteries à l'état solide (SSB) offrent plusieurs avantages par rapport aux batteries conventionnelles, notamment des densités d'énergie et de puissance plus élevées, ainsi qu'une plus grande sécurité, car elles ne contiennent pas d'électrolytes liquides inflammables. Cependant, comme les ions lithium migrent entre l'électrode de travail et la contre-électrode pendant le fonctionnement, le matériau solide peut subir des changements de volume, ce qui peut entraîner des fissures. Afin de maintenir le contact entre les électrodes et l'électrolyte, les SSB doivent fonctionner sous haute pression. Les changements de volume, ainsi que les processus de dégradation aux interfaces, limitent souvent la durée de vie de ces batteries. Jusqu'à présent, il était pratiquement impossible d'observer ces processus de manière expérimentale, notamment en raison de la pression d'empilement élevée requise pendant le fonctionnement. Cependant, le Dr Elmar Kataev, scientifique à HZB, a maintenant développé un environnement d'échantillonnage qui permet l'analyse operando des SSB sous haute pression en utilisant la spectroscopie photoélectronique à rayons X à deux couleurs - douce et dure - (XPS et HAXPES) à la station d'extrémité SISSY de BESSY II. Ces conditions de combinaison de deux énergies différentes de rayons X (durs pour la sensibilité de la masse et doux - pour la surface) frappant le même point sont exclusivement disponibles à la ligne de faisceau EMIL.

En collaboration avec le Dr Katherine Mazzio de l'Université technique de Vienne, l'équipe a pu, pour la première fois, faire la distinction entre les réactions à la surface et aux interfaces enfouies, et analyser plus en détail les mécanismes de dégradation des demi-cellules de _TiS2|Li3YCl6. Nous avons obtenu des résultats surprenants, notamment en ce qui concerne le rôle néfaste de l'oxygène intrinsèque. Nous avons observé qu'au cours du cycle, les espèces contenant de l'oxygène migrent vers le collecteur de courant de la cathode, où elles réagissent avec le matériau actif de l'électrode près de l'interface du collecteur de courant. Il en résulte la formation d'une couche amorphe riche en oxydes de titane. C'est l'une des principales causes de la perte rapide de capacité", explique M. Mazzio.

Ces résultats sont extrêmement importants pour le développement futur des SSB. En effet, la pénétration de l'oxygène dans les cellules des batteries devrait être réduite, voire empêchée, pendant la production des matériaux constitutifs, en donnant la priorité à la fabrication sous atmosphère de gaz inerte.