Des scientifiques ont mis au point une approche innovante pour améliorer les batteries lithium-ion à l'état solide. Cette nouvelle méthode consiste à utiliser un matériau unique qui élimine le besoin d'additifs supplémentaires, améliorant ainsi à la fois la densité énergétique de la batterie et sa durée de vie. Le nouveau matériau présente des performances impressionnantes, permettant aux batteries de fonctionner pendant plus de 20 000 cycles avec une efficacité énergétique élevée.
Une nouvelle stratégie pour les batteries lithium-ion entièrement solides améliore la densité énergétique et prolonge la durée de vie en utilisant un matériau spécial qui élimine le besoin d'additifs supplémentaires. Cette avancée promet plus de 20 000 cycles de fonctionnement efficace, marquant une avancée significative dans la technologie des batteries.
Une stratégie innovante d'homogénéisation de la cathode pour les batteries au lithium entièrement solides (ASLB) a été introduite par des chercheurs de l'Institut de bioénergie et de technologie des bioprocédés de Qingdao (QIBEBT) de l'Académie chinoise des sciences, en collaboration avec des collaborateurs d'institutions internationales de premier plan.
Cette nouvelle approche, détaillée dans leur article publié aujourd'hui (31 juillet) dans Énergie naturelleaméliore considérablement la durée de vie du cycle et la densité énergétique des ASLB, ce qui représente une avancée importante dans la technologie de stockage de l'énergie.
Défis des ASLB actuels
Les batteries ASLB actuelles sont confrontées à des défis en raison des cathodes composites hétérogènes, qui nécessitent des additifs électrochimiquement inactifs pour améliorer la conduction. Ces additifs, bien que nécessaires, réduisent la densité énergétique et la durée de vie des batteries en raison de leur incompatibilité avec les cathodes à oxyde stratifié, qui subissent des changements de volume substantiels pendant le fonctionnement.
Les chercheurs ont développé une solution : une stratégie d'homogénéisation de la cathode utilisant un matériau à contrainte nulle, le Li1,75Ti2(G0,25P0,75S3.8Se0,2)3 (LTG0,25PSSe0,2). Ce matériau présente une excellente conductivité ionique et électronique mixte, garantissant un transport de charge efficace tout au long du processus de (dé)charge sans nécessiter d'additifs conducteurs supplémentaires.
Le LTG0,25PSSe0,2 le matériau présente des performances impressionnantes, notamment une capacité spécifique de 250 mAh g-1 et un changement de volume minimal de seulement 1,2 %. Une cathode homogène entièrement fabriquée en LTG0,25PSSe0,2 permet aux ASLB à température ambiante d'atteindre plus de 20 000 cycles de fonctionnement stable et une densité énergétique élevée de 390 Wh kg−1 au niveau cellulaire.
Illustration schématique de l'évolution de la microstructure de la cathode pendant la charge. (a) Cathode composite hétérogène classique et (b) la cathode homogène proposée avec conduction mixte efficace. Crédit : QIBEBT
Avis d'experts sur la nouvelle approche
« Notre stratégie d'homogénéisation de la cathode remet en cause la conception traditionnelle des cathodes hétérogènes », a déclaré le Dr Longfei Cui, co-premier auteur de l'étude du Solid Energy System Technology Center (SERGY) du QIBEBT. « En éliminant le besoin d'additifs inactifs, nous améliorons la densité énergétique et prolongeons la durée de vie de la batterie. »
« Cette approche est une véritable révolution pour les ASLB », a déclaré le Dr Shu Zhang, co-premier auteur de l’étude du SERGY. « La combinaison d’une densité énergétique élevée et d’une durée de vie prolongée ouvre de nouvelles possibilités pour l’avenir du stockage d’énergie. »
Le professeur Jiangwei Ju, co-auteur correspondant de l'étude du SERGY, a ajouté : « La stabilité et les performances du matériau sont impressionnantes, ce qui en fait un candidat solide pour les applications commerciales dans les véhicules électriques et les systèmes de stockage d'énergie à grande échelle. »
Cette avancée est appuyée par des tests approfondis et des calculs théoriques. Ces analyses confirment la stabilité électrochimique et mécanique des cathodes homogènes, ne montrant aucune réaction chimique indésirable ni augmentation significative de la résistance après un cyclage prolongé.
Des implications plus larges pour le stockage de l’énergie
Outre les ASLB, d’autres types de batteries, notamment les batteries au sodium à l’état solide, les batteries lithium-ion, les batteries lithium-soufre, les batteries sodium-ion et les piles à combustible, sont également confrontées à des défis liés aux électrodes hétérogènes. Ces systèmes souffrent souvent d’incompatibilités mécanochimiques et électrochimiques, créant des goulots d’étranglement importants et dégradant les performances globales de la batterie.
« Le potentiel de commercialisation des ASLB à haute densité énergétique est désormais plus atteignable », a ajouté le professeur Guanglei Cui, directeur du SERGY. « Notre stratégie universelle de conception de cathodes homogènes multifonctionnelles peut surmonter les obstacles liés à l'énergie, à la puissance et à la durée de vie du stockage d'énergie, ouvrant ainsi la voie à des applications concrètes. »
Une étape importante dans la technologie des batteries
En abordant les principaux défis des ASLB, cette stratégie pose les bases des innovations futures dans le domaine des technologies de stockage d'énergie. L'équipe prévoit d'explorer plus avant l'évolutivité du LTG0,25PSSe0,2 matériau et son intégration dans des systèmes de batteries pratiques.
Ces travaux représentent une étape importante dans la technologie des batteries et offrent des perspectives prometteuses pour les avancées futures. L'approche innovante de l'équipe devrait influencer la recherche et le développement futurs dans le domaine du stockage d'énergie, en fournissant une base solide pour la prochaine génération de batteries hautes performances.
