Batterie à l'état solide : Une nouvelle classe de matériaux avec une excellente conductivité ionique
Les neutrons rendent visible le mouvement des ions
Une équipe de recherche de l'Université technique de Munich (TUM) a découvert une classe de matériaux présentant une conductivité supérieure à la moyenne. Il s'agit d'un pas en avant décisif dans le développement de batteries solides à haute performance. Les recherches menées à la Source de neutrons de recherche Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) ont apporté une contribution essentielle à cette découverte.
Dr. Anatoliy Senyshyn au diffractomètre à poudre SPODI à FRM II.
Andreas Heddergott, Astrid Eckert / TUM
Les batteries du futur devront répondre à des attentes élevées : Elles devront être plus légères et plus performantes, avoir une durée de vie plus longue, être plus sûres et aussi moins sujettes aux erreurs. Les scientifiques du monde entier poursuivent ces objectifs en utilisant des technologies à l'état solide : Les batteries à l'état solide ne contiennent aucun liquide, contrairement aux batteries rechargeables traditionnelles dans lesquelles les ions de lithium se déplacent dans un électrolyte liquide de l'anode à la cathode et inversement. En revanche, l'électrolyte des batteries à l'état solide est une substance solide qui ne peut ni fuir ni brûler. En outre, cet électrolyte solide permet de réduire le poids de la batterie, ce qui en fait théoriquement une alternative idéale.
"Mais dans la pratique, les électrolytes solides disponibles jusqu'à présent, principalement des céramiques oxydées ou des composés à base de soufre, se sont révélés incapables de répondre complètement aux attentes", explique le professeur Thomas Fässler, de la chaire de chimie inorganique de la TUM, spécialisée dans les nouveaux matériaux. Avec son équipe et en étroite collaboration avec TUMint-Energy Research GmbH, il cherche des électrolytes plus efficaces : "Le problème est que les ions lithium ne diffusent que lentement à travers les matériaux solides. Notre objectif était de mieux comprendre le transport des ions, puis d'utiliser ces connaissances pour augmenter la conductivité."
Une poudre légère et prometteuse
Le résultat de leurs efforts est une poudre cristalline qui est un conducteur d'ions de lithium supérieur à la moyenne. Elle ne contient pas de soufre, mais du phosphore, de l'aluminium et une proportion comparativement élevée de lithium. Des mesures en laboratoire ont montré que cette catégorie de substances, jusqu'alors ignorée, présente un haut niveau de conductivité. En très peu de temps, les chimistes ont réussi à créer une douzaine de nouveaux composés apparentés, qui contiennent par exemple du silicium ou de l'étain au lieu de l'aluminium. Cette large base de nouveaux matériaux permet d'optimiser rapidement les propriétés des matériaux.
Et pourquoi ces matériaux sont-ils de si bons conducteurs d'ions ? "Pour répondre à cette question, il faut rendre visibles les processus qui se déroulent à l'intérieur des cristaux", explique M. Fässler. "Mais ce n'est pas possible avec les équipements de laboratoire habituels, car les atomes de lithium sont très légers. Il n'est donc pas possible de les localiser exactement avec les rayons X."
Plus de détails avec les faisceaux de neutrons
La solution : les faisceaux de neutrons. "Les neutrons que nous avons du réacteur de recherche permettent de trouver même les atomes les plus légers. Cela est dû au fait que les neutrons interagissent avec les noyaux des atomes et non avec l'enveloppe atomique, comme c'est le cas avec les rayons X", explique le Dr Anatoliy Senyshyn, qui supervise le diffractomètre à poudre du FRM II, utilisé pour analyser le nouveau matériau électrolyte : "Dans le passé, nous avions déjà étudié une variété de membres de la nouvelle et diverse famille de conducteurs solides d'ions lithium. Nous pouvons utiliser la diffraction des neutrons pour visualiser comment les ions utilisent l'espace libre dans le réseau cristallin pour se déplacer." Dans la nouvelle classe de substances, ces espaces libres sont disposés de telle sorte que les ions peuvent se déplacer également dans toutes les directions. C'est le résultat du haut degré de symétrie des cristaux et c'est probablement la cause de la "conductivité superionique du lithium" que l'équipe de la TUM a pu observer.
Les poudres synthétisées sont donc des candidats électrolytes très prometteurs pour les futures batteries à l'état solide, déclare Fässler : "Notre recherche fondamentale a le potentiel d'accélérer le développement de batteries plus performantes."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Tassilo M. F. Restle, Stefan Strangmüller, Volodymyr Baran, Anatoliy Senyshyn, Holger Kirchhain, Wilhelm Klein, Samuel Merk, David Müller, Tobias Kutsch, Leo van Wüllen, Thomas F. Fässler: Super-Ionic Conductivity in ω-Li9TrP4 (Tr= Al, Ga, In) and Lithium Diffusion Pathways in Li9AlP4 Polymorphs, Advanced Functional Materials, 7. September 2022
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