De nouvelles conceptions d'électrolytes à l'état solide pourraient bientôt révolutionner l'industrie des batteries
Des scientifiques réalisent des améliorations monumentales dans les électrolytes solides à base de lithium-métal-chlorure
Des chercheurs dirigés par le professeur KANG Kisuk du Centre de recherche sur les nanoparticules de l'Institut des sciences fondamentales (IBS) ont annoncé une avancée majeure dans le domaine des batteries à l'état solide de la prochaine génération. Leurs nouvelles découvertes devraient permettre de créer des batteries basées sur un nouvel électrolyte solide à base de chlorure qui présente une conductivité ionique exceptionnelle.
La disposition des ions métalliques (ici l'yttrium) dans chaque couche affecte la conductivité ionique. Pour que les ions lithium puissent circuler librement, le nombre d'ions métalliques occupant les sites disponibles dans chaque couche doit être inférieur à 0,444. En outre, pour créer un chemin suffisamment large pour les ions lithium à l'intérieur de chaque couche, le nombre d'ions métalliques occupant les sites disponibles doit être supérieur à 0,167. Par conséquent, une occupation des ions métalliques comprise entre 0,167 et 0,444 dans chaque couche permet d'obtenir une couche conductrice avec une conductivité ionique élevée.
Institute for Basic Science
Les batteries commerciales actuelles posent un problème urgent : elles dépendent d'électrolytes liquides, ce qui entraîne des risques d'inflammabilité et d'explosion. Par conséquent, le développement d'électrolytes solides non combustibles est d'une importance capitale pour faire progresser la technologie des batteries à l'état solide. Alors que le monde s'apprête à réglementer les véhicules à moteur à combustion interne et à étendre l'utilisation des véhicules électriques dans le cadre de la transition mondiale vers le transport durable, la recherche sur les composants essentiels des batteries secondaires, en particulier les batteries à électrolyte solide, a pris un essor considérable.
Pour que les batteries à l'état solide puissent être utilisées au quotidien, il est essentiel de développer des matériaux présentant une conductivité ionique élevée, une grande stabilité chimique et électrochimique, ainsi qu'une grande souplesse mécanique. Si les recherches antérieures ont permis de mettre au point des électrolytes solides à base de sulfure et d'oxyde présentant une conductivité ionique élevée, aucun de ces matériaux ne répondait pleinement à toutes ces exigences essentielles.
Dans le passé, les scientifiques ont également exploré les électrolytes solides à base de chlorure, connus pour leur conductivité ionique supérieure, leur flexibilité mécanique et leur stabilité à haute tension. Ces propriétés ont conduit certains à penser que les piles à base de chlorure étaient les candidats les plus probables pour les piles à l'état solide. Toutefois, ces espoirs se sont rapidement évanouis, car les piles au chlorure ont été jugées peu pratiques en raison de leur forte dépendance à l'égard de métaux de terres rares coûteux, notamment l'yttrium, le scandium et les éléments lanthanides, en tant que composants secondaires.
Pour répondre à ces préoccupations, l'équipe de recherche de l'IBS a étudié la distribution des ions métalliques dans les électrolytes de chlorure. Ils pensent que la raison pour laquelle les électrolytes de chlorure trigonal peuvent atteindre une faible conductivité ionique est basée sur la variation de l'arrangement des ions métalliques dans la structure.
Ils ont d'abord testé cette théorie sur le chlorure de lithium et d'yttrium, un composé courant de chlorure de lithium métal. Lorsque les ions métalliques étaient positionnés près de la voie de passage des ions lithium, les forces électrostatiques entravaient leur mouvement. Inversement, si l'occupation des ions métalliques était trop faible, le chemin des ions lithium devenait trop étroit, ce qui entravait leur mobilité.
S'appuyant sur ces connaissances, l'équipe de recherche a introduit des stratégies pour concevoir des électrolytes de manière à atténuer ces facteurs contradictoires, ce qui a permis de mettre au point un électrolyte solide doté d'une conductivité ionique élevée. Le groupe a ensuite démontré avec succès cette stratégie en créant une batterie au lithium-métal-chlorure à l'état solide basée sur le zirconium, qui est beaucoup moins chère que les variantes utilisant des métaux des terres rares. C'est la première fois que l'importance de la disposition des ions métalliques sur la conductivité ionique d'un matériau a été démontrée.
Cette recherche met en lumière le rôle souvent négligé de la distribution des ions métalliques dans la conductivité ionique des électrolytes solides à base de chlorure. Les recherches du centre IBS devraient ouvrir la voie au développement de divers électrolytes solides à base de chlorure et favoriser la commercialisation de batteries à l'état solide, promettant un stockage de l'énergie plus abordable et plus sûr.
L'auteur correspondant, KANG Kisuk, déclare : "Cet électrolyte solide à base de chlorure nouvellement découvert est prêt à transcender les limites des électrolytes solides conventionnels à base de sulfure et d'oxyde, ce qui nous rapproche de l'adoption généralisée des batteries à l'état solide."
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.
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