Les batteries au lithium métal (LMB) entièrement solides sont des solutions de stockage d’énergie prometteuses qui intègrent une anode au lithium métal et des électrolytes à l’état solide (SSE), par opposition aux électrolytes liquides trouvés dans les batteries au lithium conventionnelles. Alors que les LMB à l’état solide pourraient présenter des densités d’énergie nettement plus élevées que les batteries lithium-ion (LiB), les électrolytes solides qu’ils contiennent sont sujets à la croissance des dendrites, ce qui réduit leur stabilité et leur sécurité.
Des chercheurs de l’Université Western au Canada, de l’Université du Maryland aux États-Unis et d’autres instituts ont récemment conçu un nouvel électrolyte à l’état solide (SSE) β-Li3N à conduction superionique et riche en lacunes. L’électrolyte, rapporté récemment dans un article publié dans Nature Nanotechnologiepourrait maintenir un cycle stable de LMB entièrement solides, facilitant potentiellement leur commercialisation.
« L’objectif principal de notre travail était de développer des SSE conducteurs superioniques, stables au lithium, pour les LMB entièrement solides, en ciblant particulièrement leur application dans les véhicules électriques (VE) », a déclaré Weihan Li, premier auteur de l’article, à Phys.org. .
« Le marché des véhicules électriques connaît une croissance rapide, mais une limitation majeure reste la courte autonomie de 300 à 400 miles par charge, principalement en raison de la densité énergétique limitée (~ 300 Wh/kg) des batteries lithium-ion conventionnelles. Les batteries au lithium métal représentent une solution prometteuse à ce défi en offrant le potentiel d’atteindre des densités d’énergie allant jusqu’à 500 Wh/kg, étendant ainsi l’autonomie à plus de 600 miles par charge.
Jusqu’à présent, l’un des principaux défis rencontrés dans le développement de LMB entièrement solides a été le manque de SSE sûrs, fiables et hautement performants. L’objectif principal des travaux récents de Li et de ses collègues était de concevoir un nouvel électrolyte combinant une stabilité élevée contre le lithium métallique et une conductivité ionique élevée.
« En nous appuyant sur notre compréhension antérieure des SSE, nous avons identifié les nitrures comme une classe de matériaux stables face au lithium métallique », a déclaré Li. « Cependant, les nitrures conventionnels présentent une faible conductivité ionique. En tirant parti de notre connaissance des mécanismes de conduction du lithium, nous avons conçu un SSE β-Li3N riche en lacunes. »
Lors des premiers tests, le nouveau SSE β-Li3N riche en lacunes conçu par cette équipe de chercheurs a démontré une conductivité ionique 100 fois supérieure et une plus grande stabilité par rapport au Li3N commercial. Ce matériau prometteur pourrait ainsi contribuer à surmonter les limitations généralement associées au développement de LMB entièrement solides hautes performances.
« Notre conception du β-Li3N riche en lacunes a été guidée par une compréhension des mécanismes de conduction lithium-ion », a déclaré Li. « Les défauts de la structure cristalline, tels que les lacunes, peuvent réduire les barrières énergétiques pour la migration des ions lithium et augmenter la population d’ions lithium mobiles. »
Les chercheurs ont synthétisé le β-Li3N SSE riche en lacunes à l’aide d’un processus de broyage à boulets à haute énergie. Ce processus a été utilisé pour introduire un nombre contrôlé de lacunes dans la structure du matériau, ce qui a finalement amélioré ses propriétés.
« La conductivité ionique du β-Li3N riche en lacunes est 100 fois supérieure à celle du Li3N commercial », a expliqué Li. « Il démontre une excellente stabilité chimique contre le lithium métal, permettant la fabrication de LMB entièrement solides à cycle long. Le matériau présente également une stabilité élevée dans l’air sec, ce qui le rend adapté à la production à l’échelle industrielle dans des environnements secs. »
Lorsqu’ils ont intégré leur nouveau SSE dans un LMB, les chercheurs ont atteint une conductivité ionique sans précédent pour un SSE, atteignant 2,14 × 10−3 S cm−1 à 25°C. Les cellules de batterie symétriques basées sur l’électrolyte ont atteint des densités de courant critiques élevées jusqu’à 45 mA cm−2 et des capacités élevées jusqu’à 7,5 mAh cm−2, ainsi que des processus de dénudage et de placage de lithium ultra-stables sur 2 000 cycles.
« Notre étude a atteint une conductivité ionique record et une stabilité exceptionnelle avec le lithium métal pour un SSE », a déclaré Li. « Ces résultats sont importants car ils répondent à deux des défis les plus critiques dans le développement de LMB entièrement solides. »
Le nouveau matériau synthétisé par cette équipe de chercheurs pourrait ouvrir de nouvelles possibilités passionnantes pour la fabrication de LMB entièrement solides, améliorant potentiellement leur densité énergétique et accélérant leur charge. Ces batteries pourraient éventuellement être intégrées dans les véhicules électriques et autres gros appareils électroniques, afin de prolonger leur durée de vie et de réduire le temps nécessaire à leur charge.
« À l’avenir, mes recherches se concentreront sur deux directions principales », a ajouté Li. « D’une part, mon objectif est de relever les défis interfaciaux restants dans les LMB entièrement solides afin d’améliorer encore la conduction lithium-ion et de prolonger la durée de vie de la batterie. Cela impliquera des études approfondies sur la cinétique des réactions interfaciales et de nouvelles conceptions de matériaux.
« Sur le plan de l’ingénierie, je prévois de relever des défis pratiques en développant des cellules prototypes et des cellules en poche à l’échelle commerciale basées sur du β-Li3N riche en lacunes. Cela comprendra l’optimisation du matériau pour une production à grande échelle et son intégration dans des systèmes de batteries fonctionnels adaptés. pour des applications réelles. »
Plus d’informations :
Weihan Li et al, Électrolyte β-Li3N conducteur superionique et riche en lacunes pour un cycle stable de batteries au lithium métal entièrement solides, Nature Nanotechnologie (2024). DOI : 10.1038/s41565-024-01813-z
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