Des pistes pour accélérer la commercialisation des batteries à l'état solide
De nouvelles découvertes révèlent comment la dégradation des piles à l'état solide se produit à la cathode en fonctionnement à basse pression
Souvent appelées "batteries de rêve", les batteries à l'état solide constituent la prochaine génération de batteries que de nombreux fabricants de batteries se disputent pour mettre sur le marché. Contrairement aux batteries lithium-ion, qui utilisent un électrolyte liquide, tous les composants, y compris l'électrolyte, l'anode et la cathode, sont solides, ce qui réduit le risque d'explosion, et sont très demandés sur des marchés allant de l'automobile aux systèmes de stockage d'énergie (ESS). Toutefois, les dispositifs qui maintiennent la pression élevée (des dizaines de MPa) nécessaire au fonctionnement stable des batteries à l'état solide présentent des problèmes qui réduisent les performances de la batterie, telles que la densité et la capacité énergétiques, et doivent être résolus pour être commercialisés.
Hun-Gi Jung et son équipe du centre de recherche sur le stockage de l'énergie de l'Institut coréen des sciences et technologies (KIST) ont récemment identifié les facteurs de dégradation qui entraînent une dégradation rapide de la capacité et une réduction de la durée de vie lorsque les batteries tout solide fonctionnent à des pressions similaires à celles des batteries au lithium-ion. Contrairement aux études précédentes, les chercheurs ont confirmé pour la première fois que la dégradation peut se produire à l'intérieur de la cathode aussi bien qu'à l'extérieur, ce qui montre que les batteries à semi-conducteurs pourront à l'avenir être exploitées de manière fiable même dans des environnements à basse pression.
Dans les batteries tout solide, la cathode et l'anode subissent un changement de volume au cours des charges et décharges répétées, ce qui entraîne une dégradation interfaciale telle qu'une réaction latérale et une perte de contact entre les matériaux actifs et les électrolytes solides, qui augmentent la résistance interfaciale et détériorent les performances de la cellule. Pour résoudre ce problème, des dispositifs externes sont utilisés pour maintenir une pression élevée, mais cela présente l'inconvénient de réduire la densité énergétique à mesure que le poids et le volume de la batterie augmentent. Récemment, des recherches ont été menées à l'intérieur de la cellule à l'état solide afin de maintenir les performances de la cellule même dans des environnements à basse pression.
L'équipe de recherche a analysé la cause de la dégradation des performances en faisant fonctionner de manière répétée une batterie à l'état solide de type pièce de monnaie avec un électrolyte solide à base de sulfure dans un environnement à basse pression de 0,3 MPa, similaire à celui d'une batterie Li-ion de type pièce de monnaie. Après 50 cycles de charge-décharge, le volume de la couche cathodique NCM avait été multiplié par deux environ, et l'analyse d'images en coupe a confirmé que de graves fissures s'étaient développées entre le matériau actif de la cathode et l'électrolyte solide. Cette nouvelle étude a révélé qu'en plus de la perte de contact interfacial, la fissuration du matériau de la cathode et la transformation irréversible de la phase de la cathode sont les causes de la dégradation en fonctionnement à basse pression.
En outre, après avoir remplacé le lithium de la cathode par un isotope (6Li) pour le distinguer du lithium présent dans l'électrolyte solide, l'équipe a utilisé la spectrométrie de masse d'ions secondaires à temps de vol (TOF-SIMS) pour identifier pour la première fois le mécanisme par lequel la consommation de lithium dans la cathode contribue à la réduction de la capacité globale de la cellule. Au cours des cycles de charge-décharge répétés, le soufre, un produit décomposé de l'électrolyte solide, s'est infiltré dans les fissures du matériau de la cathode pour former du sulfure de lithium, un sous-produit qui n'est pas conducteur. Ce phénomène a épuisé les ions lithium actifs et favorisé la transformation de la phase de la cathode, réduisant ainsi la capacité des batteries à l'état solide.
En identifiant clairement la cause de la dégradation des batteries tout solide dans des environnements de fonctionnement à basse pression, ces méthodes analytiques fournissent un indice pour résoudre le problème des caractéristiques de cyclage médiocres par rapport aux batteries lithium-ion conventionnelles. Si ce problème est résolu, on s'attend à ce que l'économie des batteries tout solide puisse être assurée en éliminant les dispositifs auxiliaires externes, qui ont été une cause majeure de l'augmentation des coûts de production.
"Pour la commercialisation des piles à l'état solide, il est essentiel de développer de nouveaux matériaux pour les cathodes et les anodes qui peuvent fonctionner dans un environnement sans pression ou à basse pression plutôt que dans l'environnement pressurisé actuel", a déclaré le Dr Hun-Gi Jung du KIST. "Lors de l'application de batteries à l'état solide fonctionnant à basse pression à des applications à moyenne et grande échelle telles que les véhicules électriques, il sera nécessaire d'utiliser pleinement les installations de fabrication de batteries lithium-ion déjà en place.
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
Hyeon‐Ji Shin, Jun Tae Kim, A‐Yeon Kim, Namgyu Noh, Jungjae Park, Chang Reung Park, Seungho Yu, Hyoungchul Kim, Kyung Yoon Chung, Jong Min Yuk, Seung‐Taek Myung, Hun‐Gi Jung; "New Consideration of Degradation Accelerating of All‐Solid‐State Batteries under a Low‐Pressure Condition"; Advanced Energy Materials, Volume 13, 2023-8-17
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