Les batteries à semi-conducteurs pour véhicules électriques, offrant une densité d’énergie et une autonomie supérieures à celles des batteries lithium-ion contemporaines, restent hors de portée, notamment en raison des défis liés à la composition de la cathode de la batterie. Une nouvelle composition de cathode et la technique de fabrication qui l’accompagne semblent prêtes à surmonter cet obstacle.
Un article décrivant le processus de fabrication est paru dans la revue Nano-recherche le 24 mars.
Les batteries à semi-conducteurs rechargeables (celles qui sont complètement solides, sans composants liquides) sont depuis longtemps recherchées comme la prochaine génération de stockage d’énergie, notamment pour les véhicules électriques et d’autres applications d’atténuation du climat. Elles seraient plus légères, plus denses en énergie, offrant une plus grande autonomie et une recharge plus rapide que la génération actuelle de batteries lithium-ion.
L’électrolyte liquide utilisé dans ce dernier est le milieu par lequel le courant circule entre les électrodes positive et négative (la cathode et l’anode, respectivement). Mais le liquide alourdit la batterie. Il est également inflammable et les incendies ne sont pas rares. Dans une batterie à semi-conducteurs, un électrolyte solide en céramique, en verre ou en polymère est beaucoup plus sûr car il n’y a pas de fuites ou d’éclaboussures pendant le transport, et offre une densité de puissance, une cyclabilité et une durée de conservation améliorées.
La clé du fonctionnement des batteries à semi-conducteurs est de concevoir une bonne cathode capable d’une tension de fonctionnement élevée et d’une capacité de surface élevée. Ce dernier terme décrit la quantité de charge d’énergie dans une batterie par unité de surface pendant une période de temps donnée. L’unité couramment utilisée pour décrire cette quantité est le milliampère-heure (mAh) – ou la quantité de charge d’énergie qui permettra à un ampère de courant de circuler pendant une heure – par rapport à une surface donnée (généralement mesurée en centimètres carrés, ou cm2). Essentiellement, cette mesure, mAh/cm2, offre une indication de la durée d’autonomie d’une batterie sans avoir à la recharger, pour la quantité d’espace qu’elle occupe dans un appareil.
« La plupart des technologies de fabrication de cathodes composites qui ont été explorées jusqu’à présent aboutissent à des batteries qui ne correspondent même pas aux performances des batteries commerciales existantes, et encore moins les dépassent, atteignant environ 3 mAh/cm2 », a déclaré Jizhang Chen du College of Materials. Sciences et ingénierie à l’Université forestière de Nanjing et auteur principal de l’article.
Ces technologies cathodiques souffrent également de la nécessité d’ajouter une quantité excessive de liants et d’agents conducteurs pour assurer que toutes les particules actives sont uniformément réparties. Cela réduit la densité de la cathode, augmente le coût et produit également une grande résistance à l’interface de la cathode et de l’électrode.
Les chercheurs ont donc développé une nouvelle composition de cathode et une technique de fabrication associée qui surmonte ces défis tout en offrant une capacité de surface élevée. La quantité de liants et d’agents conducteurs, en l’occurrence de l’hydroxyde de lithium et de l’acide borique, ajoutée est sensiblement réduite (jusqu’à environ quatre pour cent du poids total). Ceux-ci sont utilisés comme additifs dans le processus de frittage lors de la formation de la cathode.
Le frittage est une méthode de compactage d’une poudre en une masse solide via la chaleur ou la pression sans la faire fondre au point de devenir un liquide. Dans ce cas cependant, il reste une phase liquide pour au moins certains composants tandis que d’autres restent en poudre afin de donner un coup de fouet à la liaison entre particules.
L’hydroxyde de lithium et l’acide borique, avec leurs points de fusion bas, s’infiltrent sous forme liquide dans une poudre d’un composé de lithium riche en nickel (LiNi0.8Mn0.1Co0.1, ou « NMC811 ») à une température modérément élevée (environ 350℃) . Cela permet non seulement un contact physique intime entre les particules de poudre, mais réduit également le besoin d’une grande quantité d’additifs et favorise un processus de densification.
La cathode composite résultante a fourni des performances prometteuses, atteignant une capacité de surface supérieure à 8 mAh/cm2 dans une large gamme de tensions allant jusqu’à 4,4 V. Elle devrait être utilisée pour fabriquer des batteries à semi-conducteurs avec une densité d’énergie de 500 wattheures par kilogramme (Wh/kg), battant facilement la densité d’énergie de 100-265 Wh/kg offerte par les batteries lithium-ion contemporaines.
Xiang Han et al, Frittage en phase liquide permettant des interphases ioniques-électroniques mixtes et une architecture de cathode composite autonome vers une batterie à semi-conducteurs à haute énergie, Nano-recherche (2022). DOI : 10.1007/s12274-022-4242-5
Fourni par Tsinghua University Press