Le meilleur des deux mondes de l'électrolyte pour une meilleure batterie lithium-ion
Des chercheurs appliquent un conducteur céramique à un électrolyte polymère pour en augmenter la conductivité
Les batteries lithium-ion ont alimenté l'appareil sur lequel ces mots apparaissent. Des téléphones aux ordinateurs portables en passant par les véhicules électriques, les batteries lithium-ion sont essentielles à la technologie du monde moderne, mais elles peuvent aussi exploser. Composées d'électrodes chargées négativement et positivement et d'un électrolyte pour transporter les ions à travers la ligne de partage, les batteries lithium-ion ne sont bonnes que dans la mesure où leurs composants sont limités. Les électrolytes liquides sont potentiellement volatils à haute température et leur efficacité peut être limitée par la non-uniformité et les instabilités des autres composants.
Une nouvelle charge céramique pourrait contribuer à atténuer les limites des électrolytes composites à l'état solide. Non seulement la charge atténue les barrières d'interface entre les composants composites, mais elle fournit également une voie de transport supplémentaire pour les ions lithium, augmentant le nombre d'ions et la vitesse à laquelle ils se déplacent dans l'électrolyte.
Energy Materials and Devices, Tsinghua University Press
Les chercheurs travaillent à la mise au point de batteries plus sûres et plus efficaces avec des électrolytes solides, ce qui représente un changement important par rapport à la version liquide qui transporte actuellement les ions dans la plupart des batteries disponibles sur le marché. La difficulté réside dans le fait que chaque matériau à l'état solide présente autant d'inconvénients que d'avantages, selon une équipe basée au Shenzhen All-Solid-State Lithium Battery Electrolyte Engineering Research Center de l'Institute of Materials Research de la Tsinghua Shenzhen International Graduate School.
Pour résoudre cette énigme, les chercheurs ont combiné deux des principaux candidats à l'état solide - la céramique et le polymère - dans un nouvel électrolyte composite.
Ils ont publié leurs résultats le 21 septembre dans la revue Energy Materials and Devices.
"Les électrolytes composites à l'état solide ont fait l'objet d'une attention particulière en raison de leurs avantages combinés en tant qu'électrolytes inorganiques et polymères", a déclaré le coauteur Yu Yuan, qui est également affilié à la Tsinghua Shenzhen International Graduate School. "Cependant, les charges céramiques inorganiques conventionnelles offrent une amélioration limitée de la conductivité ionique pour les électrolytes composites à l'état solide en raison de la couche de charge spatiale entre la matrice polymère et la phase céramique."
Les électrolytes céramiques inorganiques offrent une conductivité élevée, mais ils développent une résistance lorsqu'ils sont confrontés à un autre solide et sont compliqués à synthétiser. Les électrolytes polymères sont plus faciles à produire, plus flexibles et fonctionnent mieux avec les électrodes, mais leur conductivité à température ambiante est trop faible pour une application commerciale. Selon M. Yuan, la combinaison des deux devrait permettre d'obtenir un électrolyte hautement conducteur, flexible et plus facile à synthétiser. En réalité, une fois mélangés, les électrolytes composites à l'état solide présentent une séparation - appelée couche de charge spatiale - entre leurs éléments constitutifs, ce qui limite leur conductivité.
Pour y remédier, les chercheurs ont utilisé le tantalate de lithium, dont la structure cristalline se prête à des propriétés optiques et électriques uniques, comme charge fonctionnelle pour atténuer la couche de charge d'espace. Le matériau céramique conducteur d'ions est ferroélectrique, ce qui signifie qu'il peut inverser la charge électrique lorsqu'un courant est appliqué.
"Non seulement la charge atténue la couche de charge d'espace, mais elle fournit également une voie de transport supplémentaire pour le lithium-ion", a déclaré le coauteur Likun Chen, qui est également affilié à la Tsinghua Shenzhen International Graduate School.
Les chercheurs ont démontré expérimentalement que la charge de tantalate de lithium réduit le goulot d'étranglement du transport des ions lithium à travers l'interface polymère-céramique, ce qui permet aux ions lithium de se déplacer à la fois en plus grand nombre et plus rapidement dans l'électrolyte.
Selon les chercheurs, il en résulte un électrolyte à haute conductivité et à longue durée de vie - c'est-à-dire la fréquence à laquelle les ions peuvent être transportés à travers la batterie lors des cycles de charge et de décharge - même à basse température.
"Ce travail propose une nouvelle stratégie pour concevoir des charges céramiques intégrées avec des propriétés ferroélectriques et conductrices d'ions afin d'obtenir un transport à haut débit des ions lithium dans les électrolytes composites solides pour faire progresser les batteries au lithium métal à l'état solide", a déclaré M. Yuan. "Notre approche éclaire la conception de charges céramiques fonctionnelles pour les électrolytes composites à l'état solide afin d'améliorer efficacement la conductivité ionique et les performances de la batterie."
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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