Le mystère des batteries au lithium à l’état solide se fissure

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Le potentiel des batteries à semi-conducteurs pour offrir une alternative plus sûre et plus compacte aux technologies actuelles basées sur les ions de lithium est bien connu. Des groupes de recherche du monde entier s’efforcent de résoudre les problèmes qui rentiennent l’adoption commerciale de la technologie.

Une découverte « révolutionnaire » de chercheurs du Georgia Institute of Technology pourrait faire avancer ce domaine de recherche dans la bonne direction. L’équipe a construit une batterie à l’état solide avec une couche de céramique solide servant d’électrolyte entre deux couches de lithium. Ils ont ensuite sondé le comportement et la dégradation de la batterie lors de son chargement et de son déchargement au moyen de la tomographie à rayons X – une technique similaire aux tomodensitogrammes utilisés en médecine.

« Le défi consiste à comprendre comment adapter ces pièces solides à leur comportement pendant de longues périodes », explique Matthew McDowell, professeur adjoint à la faculté de génie mécanique George W. Woodruff et à la faculté des matériaux et de génie civil. « Nous travaillons sur comment concevoir les interfaces entre ces pièces solides afin qu’elles durent le plus longtemps possible. »

Des fissures sont apparues

Les résultats, publiés dans l’article « Visualizing Chemomechanical Degradation of a Solid-State Battery Electrolyte » (Visualiser la dégradation chimico-mécanique d’un électrolyte de batterie à l’état solide), dans le magazine ACS Energy Letters, illustrent comment des fissures ont commencé à se former dans la couche d’électrolyte en quelques jours, ce qui augmenté la résistance au flux d’ions.

Selon McDowell, on pensait précédemment que la dégradation de la batterie était due à des réactions chimiques à l’interface entre le lithium métallique et l’électrolyte, plutôt qu’à la formation de fissures dans les cellules.

« Ce que nous avons appris en réalisant cette expérience, c’est que dans ce matériau particulier, ce ne sont pas les réactions chimiques elles-mêmes qui sont mauvaises, car elles n’affectent pas les performances de la batterie », a-t-il ajouté. « Le problème, c’est que la cellule se fracture et que cela détruit ses performances. »

Les chercheurs affirment que leur découverte s’appliquera probablement aussi aux produits chimiques présents dans les batteries alternatives à semi-conducteurs et qu’elle pourrait influencer les recherches futures sur cette technologie prometteuse.

« Dans les batteries lithium-ion normales, les matériaux que nous utilisons définissent la quantité d’énergie que nous pouvons stocker », a déclaré McDowell. « Le lithium pur est le plus durable, mais il ne fonctionne pas bien avec les électrolytes liquides. Mais si vous pouviez utiliser du lithium solide avec un électrolyte solide, ce serait le Saint Graal de la densité énergétique. »