L’image conceptualise le traitement, la structure et le comportement mécanique des conducteurs ioniques vitreux pour les batteries au lithium à l’état solide. Crédit : Adam Malin/ORNL, Département américain de l’énergie
Lorsque l’électricité circule dans une batterie, les matériaux qu’elle contient s’usent progressivement. Les forces physiques de stress et de contrainte jouent également un rôle dans ce processus, mais leurs effets exacts sur les performances et la durée de vie de la batterie ne sont pas entièrement connus.
Une équipe dirigée par des chercheurs du laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’Énergie a développé un cadre pour la conception de batteries à semi-conducteurs, ou SSB, en gardant à l’esprit la mécanique. Leur article, publié dans Science, examine comment ces facteurs modifient les boissons sucrées au cours de leur cycle.
Mettre l’accent sur la mécanique dans les performances de la batterie
« Notre objectif est de souligner l’importance de la mécanique dans les performances des batteries », a déclaré Sergiy Kalnaus, scientifique du groupe Modélisation multiphysique et flux de l’ORNL. « De nombreuses études se sont concentrées sur les propriétés chimiques ou électriques mais ont négligé de montrer la mécanique sous-jacente. »
L’équipe couvre plusieurs domaines de recherche de l’ORNL, notamment le calcul, la chimie et la science des matériaux. Ensemble, leur étude a dressé un tableau plus cohérent des conditions qui affectent les boissons sucrées en utilisant les perspectives de tout le spectre scientifique. « Nous essayons de combler le fossé entre les disciplines », a déclaré Kalnaus.
Électrolytes solides : une alternative plus sûre et plus solide
Dans les batteries, les particules chargées circulent à travers des matériaux appelés électrolytes. La plupart sont des liquides, comme dans les batteries lithium-ion trouvées dans les voitures électriques, mais des électrolytes solides sont également en cours de développement. Ces conducteurs sont généralement fabriqués à partir de verre ou de céramique et pourraient offrir des avantages tels qu’une sécurité et une résistance accrues.
« Les véritables batteries à semi-conducteurs ne contiennent pas de liquides inflammables », a déclaré Kalnaus. « Cela signifie qu’elles seraient moins dangereuses que les batteries couramment utilisées aujourd’hui. »
Défis liés au développement de batteries à semi-conducteurs
Cependant, les électrolytes solides en sont encore aux premiers stades de développement en raison des défis associés à ces nouveaux matériaux. Les composants SSB gonflent et rétrécissent pendant le transport de charge et de masse, ce qui altère le système. « Les électrodes se déforment constamment pendant le fonctionnement de la batterie, créant un délaminage et des vides aux interfaces avec l’électrolyte solide », a déclaré Kalnaus. « Dans les systèmes actuels, la meilleure solution consiste à appliquer une forte pression pour que tout reste cohérent. »
Ces changements dimensionnels endommagent les électrolytes solides, constitués de matériaux fragiles. Ils se brisent souvent en réponse à la tension et à la pression. Rendre ces matériaux plus ductiles leur permettrait de résister aux contraintes en s’écoulant au lieu de se fissurer. Ce comportement peut être obtenu grâce à certaines techniques qui introduisent de petits défauts cristallins dans les électrolytes céramiques.
Anodes d’ingénierie et électrolytes solides
Les électrons quittent un système par les anodes. Dans les SSB, ce composant peut être fabriqué à partir de lithium pur, qui est le métal le plus dense en énergie. Bien que ce matériau présente des avantages pour la puissance d’une batterie, il crée également une pression qui peut endommager les électrolytes.
«Pendant le chargement, un placage non uniforme et une absence de mécanismes de soulagement des contraintes peuvent créer des concentrations de contraintes. Ceux-ci peuvent supporter de grandes quantités de pression, permettant ainsi l’écoulement du lithium métallique », a déclaré Erik Herbert, chef du groupe Propriétés mécaniques et mécanique d’ORNL. « Afin d’optimiser les performances et la longévité des SSB, nous devons concevoir la prochaine génération d’anodes et d’électrolytes solides capables de maintenir des interfaces mécaniquement stables sans fracturer le séparateur d’électrolyte solide. »
Le travail de l’équipe s’inscrit dans la longue histoire de l’ORNL en matière de recherche de matériaux pour les SSB. Au début des années 1990, un électrolyte vitreux appelé oxynitrure de lithium et de phosphore, ou LiPON, a été développé au laboratoire. Le LiPON est devenu largement utilisé comme électrolyte dans les batteries à couches minces dotées d’une anode au lithium métallique. Ce composant peut résister à de nombreux cycles de charge-décharge sans défaillance, en grande partie grâce à la ductilité du LiPON. Lorsqu’il est soumis à des contraintes mécaniques, il coule au lieu de se fissurer.
« Ces dernières années, nous avons appris que le LiPON possède des propriétés mécaniques robustes qui complètent sa durabilité chimique et électrochimique », a déclaré Nancy Dudney, scientifique de l’ORNL qui a dirigé l’équipe qui a développé le matériau.
Les efforts de l’équipe mettent en évidence un aspect sous-étudié des SSB : la compréhension des facteurs qui façonnent leur durée de vie et leur efficacité. « La communauté des chercheurs avait besoin d’une feuille de route », a déclaré Kalnaus. « Dans notre article, nous avons décrit la mécanique des matériaux pour les électrolytes solides, encourageant les scientifiques à en tenir compte lors de la conception de nouvelles batteries. »
L’étude a été financée par le ministère américain de l’Énergie.
