Une étape sur la voie des piles à l'état solide

Pas de frittage nécessaire : synthèse à basse température d'une céramique de lithium pour les batteries

25.10.2023

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Une céramique de lithium pourrait servir d'électrolyte solide dans une génération de batteries lithium-ion rechargeables plus puissantes et plus économiques. Le défi consiste à trouver une méthode de production qui fonctionne sans frittage à haute température. Dans la revue Angewandte Chemie, une équipe de chercheurs a présenté une méthode sans frittage pour la synthèse efficace et à basse température de ces céramiques sous une forme cristalline conductrice.

Deux facteurs dominent le développement des batteries pour les véhicules électriques : la puissance, qui détermine l'autonomie du véhicule, et le coût, qui est déterminant dans la concurrence avec les moteurs à combustion interne. Le ministère américain de l'énergie vise à accélérer la transition des véhicules à essence vers les véhicules électriques et a fixé des objectifs ambitieux pour réduire les coûts de production et augmenter la densité énergétique des batteries d'ici à 2030. Ces objectifs ne peuvent être atteints avec les batteries lithium-ion conventionnelles.

Une approche très prometteuse pour fabriquer des batteries plus petites, plus légères, nettement plus puissantes et plus sûres consiste à utiliser des cellules à l'état solide dont les anodes sont constituées de lithium métallique plutôt que de graphite. Contrairement aux batteries lithium-ion classiques, qui utilisent des électrolytes organiques liquides et un film polymère pour séparer les compartiments anodique et cathodique, tous les composants d'une batterie à semi-conducteurs sont solides. Une fine couche de céramique sert à la fois d'électrolyte solide et de séparateur. Elle est très efficace contre les courts-circuits dangereux causés par la croissance des dendrites de lithium et contre l'emballement thermique. En outre, ils ne contiennent pas de liquides facilement inflammables.

L'oxyde de lithium de type grenat _{Li7La3Zr2O12-d} (LLZO) est un électrolyte/séparateur céramique adapté aux cellules à haute densité énergétique. Ce matériau doit être fritté avec la cathode à plus de 1050 °C pour convertir le LLZO en phase cristalline cubique rapidement conductrice de lithium, le densifier suffisamment et le lier fortement à l'électrode. Toutefois, les températures supérieures à 600 °C déstabilisent les matériaux cathodiques durables à faible teneur en cobalt ou sans cobalt, tout en augmentant les coûts de production et la consommation d'énergie. De nouvelles méthodes de production plus économiques et plus durables sont nécessaires.

Une équipe dirigée par Jennifer L. M. Rupp au MIT, Cambridge, États-Unis, et à l'université technique de Munich, Allemagne, vient de mettre au point un nouveau procédé synthétique de ce type. Leur nouveau procédé n'est pas basé sur un composé précurseur céramique, mais sur un composé liquide, qui est directement densifié pour former du LLZO dans une synthèse par décomposition séquentielle. Afin d'optimiser les conditions de cette voie de synthèse, Rupp et son équipe ont analysé la transformation de phase en plusieurs étapes du LLZO d'une forme amorphe à la forme cristalline requise (cLLZO) à l'aide de diverses méthodes (spectroscopie Raman, calorimétrie différentielle dynamique à balayage) et ont produit un diagramme temps-température-transformation. Sur la base des connaissances acquises sur le processus de cristallisation, ils ont mis au point une méthode permettant d'obtenir le cLLZO sous la forme d'un film solide et dense après 10 heures de recuit à la température relativement basse de 500 °C, sans frittage. Pour les futures batteries, cette méthode permettra d'intégrer l'électrolyte LLZO solide à des cathodes durables qui pourraient éviter l'utilisation d'éléments critiques d'un point de vue socio-économique, comme le cobalt.

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

Yuntong Zhu, Michael Chon, Carl V. Thompson, Jennifer L. M. Rupp; "Time‐Temperature‐Transformation (TTT) Diagram of Battery‐Grade Li‐Garnet Electrolytes for Low‐Temperature Sustainable Synthesis"; Angewandte Chemie International Edition, 2023-10-2

https://www.chemeurope.com/fr/news/1181862/une-etape-sur-la-voie-des-piles-a-l-etat-solide.html