Énergie sûre et efficace : découverte de matériaux de batterie révolutionnaires

Les scientifiques ont identifié un conducteur lithium-ion stable et hautement conducteur qui peut être utilisé comme électrolytes solides dans les batteries lithium-ion à semi-conducteurs.

Les batteries lithium-ion à semi-conducteurs, qui utilisent des électrolytes solides, sont ininflammables et présentent une densité énergétique et des indices de transfert d'ions plus élevés que leurs homologues à électrolyte liquide. Ces caractéristiques les positionnent comme des remplaçants potentiels sur les marchés dominés par les batteries à électrolyte liquide traditionnelles, y compris les véhicules électriques. Malgré ces avantages, les électrolytes solides présentent des inconvénients tels qu'une conductivité lithium-ion plus faible et des difficultés à maintenir un contact suffisant entre les électrodes et l'électrolyte solide.

Bien que les électrolytes solides à base de sulfure soient conducteurs, ils réagissent avec l’humidité pour former du bisulfure d’hydrogène toxique. Par conséquent, il existe un besoin en électrolytes solides sans sulfure, à la fois conducteurs et stables dans l’air, pour fabriquer des batteries Li-ion à semi-conducteurs sûres, performantes et à charge rapide.

Dans une étude récente publiée dans la revue Chimie des matériauxune équipe de recherche dirigée par le professeur Kenjiro Fujimoto, le professeur Akihisa Aimi de l'Université des sciences de Tokyo et le Dr Shuhei Yoshida de DENSO CORPORATION, a découvert un conducteur Li-ion stable et hautement conducteur sous la forme d'un oxyfluorure de type pyrochlore.

Selon le professeur Fujimoto, « fabriquer des batteries secondaires au lithium-ion entièrement solides est un rêve de longue date pour de nombreux chercheurs en batteries. Nous avons découvert un électrolyte solide oxyde qui est un composant clé des batteries lithium-ion entièrement solides, qui présentent à la fois une densité énergétique et une sécurité élevées. En plus d’être stable dans l’air, le matériau présente une conductivité ionique plus élevée que les électrolytes solides oxydes précédemment rapportés.

Analyse détaillée et performances

L'oxyfluorure de type pyrochlore étudié dans ce travail peut être noté Li_2-XLa_(1+X)/3M.₂Ô₆F (M. = Nb,Ta). Il a subi une analyse structurelle et compositionnelle à l'aide de diverses techniques, notamment la diffraction des rayons X, l'analyse de Rietveld, le couplage inductif plasma spectrométrie d'émission optique et diffraction électronique sur zone sélectionnée. Plus précisément, Li_1,25La_0,58Nb₂Ô₆F a été développé, démontrant une conductivité ionique globale de 7,0 mS cm⁻¹ et une conductivité ionique totale de 3,9 mS cm⁻¹ à température ambiante. Elle s’est avérée supérieure à la conductivité lithium-ion des électrolytes solides oxydes connus. L'énergie d'activation de la conduction ionique de ce matériau est extrêmement faible et la conductivité ionique de ce matériau à basse température est l'une des plus élevées parmi les électrolytes solides connus, y compris les matériaux à base de sulfure.

Exactement, même à –10°C, le nouveau matériau a la même conductivité que les électrolytes solides classiques à base d’oxydes à température ambiante. De plus, comme une conductivité supérieure à 100 °C a également été vérifiée, la plage de fonctionnement de cet électrolyte solide va de –10 °C à 100 °C. Les batteries lithium-ion conventionnelles ne peuvent pas être utilisées à des températures inférieures à zéro. Par conséquent, les conditions de fonctionnement des batteries lithium-ion pour les téléphones mobiles couramment utilisés vont de 0 °C à 45 °C.

Le mécanisme de conduction Li-ion dans ce matériau a été étudié. Le chemin de conduction de la structure de type pyrochlore couvre les ions F situés dans les tunnels créés par M.Ô₆ octaèdres. Le mécanisme de conduction est le mouvement séquentiel des ions Li tout en changeant les liaisons avec les ions F. Les ions Li se déplacent vers la position Li la plus proche en passant toujours par des positions métastables. Immobile La³⁺ lié à l'ion F inhibe la conduction Li-ion en bloquant le chemin de conduction et en faisant disparaître les positions métastables environnantes.

Contrairement aux batteries secondaires lithium-ion existantes, toutes les batteries à base d'oxyde ne présentent aucun risque de fuite d'électrolyte due à des dommages et aucun risque de génération de gaz toxiques comme avec les batteries à base de sulfure. Par conséquent, cette nouvelle innovation devrait diriger les recherches futures. « Le matériau nouvellement découvert est sûr et présente une conductivité ionique plus élevée que les électrolytes solides à base d’oxyde précédemment signalés. L'application de ce matériau est prometteuse pour le développement de batteries révolutionnaires capables de fonctionner dans une large plage de températures, de basse à haute », envisage le professeur Fujimoto. « Nous pensons que les performances requises pour l'application d'électrolytes solides pour les véhicules électriques sont satisfaites. »

Le nouveau matériau est notamment très stable et ne s’enflammera pas s’il est endommagé. Il convient aux avions et autres endroits où la sécurité est essentielle. Il convient également aux applications de grande capacité, telles que les véhicules électriques, car il peut être utilisé à des températures élevées et permet une recharge rapide. De plus, c’est également un matériau prometteur pour la miniaturisation des batteries, des appareils électroménagers et des dispositifs médicaux.

En résumé, les chercheurs ont non seulement découvert un conducteur Li-ion à haute conductivité et stabilité dans l’air, mais ont également introduit un nouveau type de conducteur superionique avec un oxyfluorure de type pyrochlore. L'exploration de la structure locale autour du lithium, de ses changements dynamiques au cours de la conduction et de son potentiel en tant qu'électrolytes solides pour les batteries entièrement solides sont des domaines importants pour les recherches futures !