Les chercheurs décryptent le code des batteries à l'état solide
Grâce à une combinaison d'imagerie avancée et de revêtements ultraminces, les chercheurs s'efforcent de révolutionner les performances des piles à l'état solide
Des véhicules électriques aux oreillettes sans fil, les batteries lithium-ion traditionnelles alimentent notre vie quotidienne car elles se chargent rapidement et stockent beaucoup d'énergie. Cependant, elles reposent sur une solution appelée électrolyte liquide, qui peut s'enflammer si elle est endommagée ou surchauffée.
Matthias Young
University of Missouri
Les chercheurs de l'université du Missouri ont peut-être une solution. Le professeur adjoint Matthias Young et son équipe cherchent à savoir comment utiliser des électrolytes solides au lieu de liquides ou de gels pour fabriquer des batteries à l'état solide, plus sûres et plus efficaces sur le plan énergétique.
"Lorsque l'électrolyte solide entre en contact avec la cathode, il réagit et forme une couche d'interphase d'environ 100 nanomètres d'épaisseur, soit 1 000 fois moins que la largeur d'un cheveu humain", explique M. Young, qui travaille conjointement avec le College of Engineering et le College of Arts and Science de Mizzou. "Cette couche empêche les ions lithium et les électrons de se déplacer facilement, ce qui augmente la résistance et nuit aux performances de la batterie.
La compréhension de ce problème lié aux batteries à l'état solide - et la manière de le résoudre - a posé des problèmes aux scientifiques pendant plus d'une décennie.
L'équipe de M. Young s'est attaquée au problème en comprenant mieux la cause première.
En utilisant la microscopie électronique à transmission à balayage en quatre dimensions (4D STEM), les chercheurs ont examiné la structure atomique de la batterie sans la démonter, ce qui constitue une avancée révolutionnaire dans ce domaine. Ce nouveau procédé leur a permis d'acquérir une compréhension fondamentale des réactions chimiques qui se produisent à l'intérieur des piles, et de déterminer finalement que la couche d'interphase était coupable.
Une solution potentielle
Des véhicules électriques aux oreillettes sans fil, les batteries lithium-ion traditionnelles alimentent notre vie quotidienne car elles se chargent rapidement et stockent beaucoup d'énergie. Cependant, elles reposent sur une solution appelée électrolyte liquide, qui peut s'enflammer si elle est endommagée ou surchauffée.
Les chercheurs de l'université du Missouri ont peut-être une solution. Le professeur adjoint Matthias Young et son équipe cherchent à savoir comment utiliser des électrolytes solides au lieu de liquides ou de gels pour fabriquer des batteries à l'état solide, plus sûres et plus efficaces sur le plan énergétique.
"Lorsque l'électrolyte solide entre en contact avec la cathode, il réagit et forme une couche d'interphase d'environ 100 nanomètres d'épaisseur, soit 1 000 fois moins que la largeur d'un cheveu humain", explique M. Young, qui travaille conjointement avec le College of Engineering et le College of Arts and Science de Mizzou. "Cette couche empêche les ions lithium et les électrons de se déplacer facilement, ce qui augmente la résistance et nuit aux performances de la batterie.
La compréhension de ce problème lié aux batteries à l'état solide - et la manière de le résoudre - a posé des problèmes aux scientifiques pendant plus d'une décennie.
L'équipe de M. Young s'est attaquée au problème en comprenant mieux la cause première.
En utilisant la microscopie électronique à transmission à balayage en quatre dimensions (4D STEM), les chercheurs ont examiné la structure atomique de la batterie sans la démonter, ce qui constitue une avancée révolutionnaire dans ce domaine. Ce nouveau procédé leur a permis d'acquérir une compréhension fondamentale des réactions chimiques qui se produisent à l'intérieur des piles, et de déterminer finalement que la couche d'interphase était coupable.
Une solution potentielle
Le laboratoire de M. Young est spécialisé dans les couches minces formées par un processus de dépôt en phase vapeur connu sous le nom de dépôt de couches moléculaires oxydantes (DCMO). Il envisage maintenant de vérifier si les matériaux en couches minces de son laboratoire peuvent former des revêtements protecteurs empêchant les matériaux solides de l'électrolyte et de la cathode de réagir l'un avec l'autre.
"Les revêtements doivent être suffisamment fins pour empêcher les réactions, mais pas trop épais pour ne pas bloquer le flux de lithium-ion", explique-t-il. "Nous visons à maintenir les caractéristiques de haute performance des matériaux solides de l'électrolyte et de la cathode. Notre objectif est d'utiliser ces matériaux ensemble sans sacrifier leurs performances au nom de la compatibilité".
Cette approche soigneusement élaborée à l'échelle nanométrique permettra de s'assurer que ces matériaux fonctionnent ensemble de manière transparente, ce qui rapprochera les batteries à l'état solide de la réalité.
"Understanding Cathode-Electrolyte Interphase Formation in Solid State Li-Ion Batteries via 4D-STEM" a été publié dans Advanced Energy Materials. Les co-auteurs sont Nikhila C. Paranamana, Andreas Werbrouck, Amit K. Datta et Xiaoqing He de Mizzou.
Le laboratoire de M. Young est spécialisé dans les couches minces formées par un processus de dépôt en phase vapeur connu sous le nom de dépôt de couches moléculaires par oxydation (DCMO). Il prévoit maintenant de vérifier si les matériaux en couches minces de son laboratoire peuvent former des revêtements protecteurs pour empêcher les matériaux solides de l'électrolyte et de la cathode de réagir l'un avec l'autre.
"Les revêtements doivent être suffisamment fins pour empêcher les réactions, mais pas trop épais pour ne pas bloquer le flux de lithium-ion", explique-t-il. "Nous visons à maintenir les caractéristiques de haute performance des matériaux solides de l'électrolyte et de la cathode. Notre objectif est d'utiliser ces matériaux ensemble sans sacrifier leurs performances au nom de la compatibilité".
Cette approche soigneusement élaborée à l'échelle nanométrique contribuera à garantir que ces matériaux fonctionnent ensemble de manière transparente, ce qui rapprochera les batteries à l'état solide de la réalité.
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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