Révolutionner le stockage d'énergie :les batteries au lithium à électrolyte solide offrent sécurité, capacité et vitesse

Andrew Corselli Rendu artistique d’une fine couche atomique d’argent et de quelques atomes d’argent sous la surface, protégeant la structure cristalline d’un électrolyte solide de la pression mécanique. (Image : Chaoyang Zhao)

Un électrolyte solide – plutôt que liquide – entre les électrodes opposées d’une batterie devrait, en théorie, permettre une batterie rechargeable au lithium métal qui est plus sûre, contient beaucoup plus d’énergie et se charge considérablement plus rapidement que les batteries Li-ion disponibles dans le commerce aujourd’hui. Pendant des décennies, les scientifiques et les ingénieurs ont exploré plusieurs voies pour concrétiser les grandes promesses des batteries au lithium métal. Un problème majeur avec les électrolytes solides et cristallins étudiés est la formation de fissures microscopiques qui se développent pendant l'utilisation jusqu'à ce que la batterie tombe en panne.

Des chercheurs de Stanford, s’appuyant sur les résultats publiés il y a trois ans qui identifiaient la façon dont ces minuscules imperfections se forment et se développent, ont découvert que le recuit d’une couche d’argent extrêmement fine sur la surface de l’électrolyte solide semble résoudre en grande partie le problème. Comme indiqué dans Nature Materials , ce revêtement renforce par cinq la surface de l'électrolyte contre la fracturation due à la pression mécanique. Cela rend également les imperfections existantes beaucoup moins vulnérables au lithium qui s'enfouit à l'intérieur, en particulier lors d'une recharge rapide, qui transforme les nanofissures en nanofissures et finit par rendre la batterie inutile.

"L'électrolyte solide que nous et d'autres travaillons à améliorer est une sorte de céramique qui permet aux ions Li-ion de circuler facilement, mais il est fragile", a déclaré l'auteure principale Wendy Gu, professeure agrégée en génie mécanique. "À une échelle incroyablement petite, ce n'est pas sans rappeler les assiettes ou les bols en céramique que vous avez à la maison et qui présentent de minuscules fissures à la surface."

"Une batterie à semi-conducteurs réelle est constituée de couches de feuilles de cathode-électrolyte-anode empilées. Les fabriquer sans les moindres imperfections serait presque impossible et très coûteux", a déclaré Gu. "Nous avons décidé qu'une surface protectrice serait peut-être plus réaliste, et juste un peu d'argent semble faire un très bon travail."

Des recherches antérieures menées par d'autres scientifiques ont étudié l'utilisation de revêtements métalliques Ag sur le même matériau électrolytique solide – connu sous le nom de « LLZO » pour son mélange d'atomes de lithium, de lanthane et de zirconium, ainsi que d'oxygène – avec lequel l'étude actuelle a travaillé. Alors que les études précédentes utilisaient de l’argent métallique pour améliorer les performances de la batterie, la nouvelle étude utilisait une forme d’argent dissoute ayant perdu un électron (Ag+). Cet argent dissous et chargé, contrairement à l'argent solide métallique, est directement responsable du durcissement de la céramique contre la formation de fissures.

Les chercheurs ont déposé une couche d'argent de 3 nanomètres d'épaisseur sur les surfaces LLZO, puis ont chauffé les échantillons jusqu'à 300 °C (572 °F). Pendant le chauffage, les atomes d’argent se sont diffusés à la surface de l’électrolyte, échangeant leur place avec des atomes de lithium beaucoup plus petits jusqu’à une profondeur de 20 à 50 nanomètres. L'argent est resté sous forme d'ions chargés positivement plutôt que d'argent métallique, ce qui, selon les scientifiques, est essentiel pour empêcher la formation de fissures. Là où des imperfections existent, la présence de certains ions argent positifs empêche également le lithium de s'introduire et de développer des branches destructrices à l'intérieur de l'électrolyte.

"Notre étude montre que le dopage à l'argent à l'échelle nanométrique peut modifier fondamentalement la manière dont les fissures se déclenchent et se propagent à la surface de l'électrolyte, produisant ainsi des électrolytes solides durables et résistants aux pannes pour les technologies de stockage d'énergie de nouvelle génération", a déclaré Xin Xu, alors responsable de la recherche et aujourd'hui professeur adjoint en ingénierie à l'Arizona State University.

Voici un Tech Briefs exclusif entretien, édité pour plus de longueur et de clarté, avec Xu.

Notes techniques :Quel a été le plus grand défi technique auquel vous avez été confronté lors du recuit du revêtement ?

Xu :Avant de répondre, je tiens à préciser que nous ne sommes certainement pas le premier groupe à penser à l'argent. Les revêtements d'argent sont utilisés dans les batteries à semi-conducteurs depuis quelques années, principalement comme couche intermédiaire entre le lithium métallique et un électrolyte solide. Évidemment, ils fonctionnent bien. Mais nous sommes arrivés à cela avec une idée légèrement différente. Nous avons commencé à considérer l’argent comme un élément magique. Il est grand et hautement polarisable.

Cela signifie que les bras en argent sont si flexibles qu’ils peuvent presser les matériaux là où les petits ions ne le peuvent pas. Notre hypothèse ici est très simple :si l’argent pouvait diffuser ou presser l’électrolyte dans la cellule, cela pourrait générer une contrainte de compression et durcir le matériau. Cela rendra le matériau plus résistant à la fissuration.

Lorsque nous avons eu cette idée pour la première fois, nous nous sommes dit :« À quel point cela peut-il être difficile ? Mettez simplement de l’argent là-bas. » Cela s’est avéré si difficile. Le plus grand défi technique était le suivant :les électrolytes solides sont extrêmement sensibles à l’air. L'humidité réagit avec le CO2, ce qui formera également une couche de contamination sur la surface. Même en laboratoire, cela se produit si facilement. Une fois cette contamination formée à la surface de l'électrolyte, l'argent ne peut tout simplement plus faire ce que nous voulons qu'il fasse.

Nous avons finalement réalisé que la propreté de la surface était tout simplement essentielle. Ainsi, si nous créons une surface ultra-propre, l’argent pourrait se désamorcer dans le matériau de l’électrolyte et générer la contrainte de compression recherchée. À partir de ce moment-là, nous sommes devenus très obsédés par le contrôle de l’environnement du laboratoire. Nous sommes partis de la préparation des échantillons, de la caractérisation du revêtement jusqu'aux tests. Chaque étape a été réalisée dans des conditions sans air étroitement contrôlées. Nous avons même conçu un navire de transfert personnalisé et sans air tout à fait unique, juste pour ce projet. Nous le vendons même sur Amazon. Une fois cela fait, les résultats étaient très clairs. Très excitant.

Notes techniques :Avez-vous des projets pour des travaux futurs ?

Xu :Nous avons plusieurs choses en tête pour les prochaines étapes. Tout d’abord, et je pense que c’est probablement ma partie préférée, nous voulons essayer d’autres éléments. Ces résultats suggèrent que la taille ionique est un facteur clé. Si c’est vrai, l’argent n’est pas spécial parce que c’est de l’argent; c'est spécial parce que c'est grand. Cela signifie que des éléments moins chers mais plus gros pourraient également fonctionner. Par exemple, le sodium, le potassium ou le cuivre. En fait, nous avons déjà eu des résultats très prometteurs avec le cuivre.