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

Andrew Corselli

Rendu artistique d'un revêtement atomiquement mince d'argent et de quelques atomes d'argent sous la surface, protégeant la structure cristalline d'un électrolyte solide contre 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 lithium-métal rechargeable plus sûre, stockant beaucoup plus d'énergie et se rechargeant considérablement plus vite que les batteries Li-ion commercialement disponibles aujourd'hui. Depuis des décennies, scientifiques et ingénieurs explorent plusieurs voies pour réaliser la grande promesse des batteries lithium-métal. Un problème majeur avec les électrolytes solides cristallins à l'étude a été la formation de fissures microscopiques qui se développent pendant l'utilisation jusqu'à la défaillance de la batterie.

Des chercheurs de Stanford, s'appuyant sur des résultats qu'ils ont publiés il y a trois ans identifiant comment ces minuscules imperfections se forment et s'étendent, ont découvert que le recuit d'un revêtement d'argent extrêmement mince sur la surface de l'électrolyte solide semble résoudre largement le problème. Comme rapporté dans Nature Materials, ce revêtement renforce la surface de l'électrolyte cinq fois contre la fracture due à la pression mécanique. Il rend également les imperfections existantes beaucoup moins vulnérables à l'intrusion de lithium à l'intérieur, surtout lors de la recharge rapide, qui transforme les nanofissures en nanocrevasses et finit par rendre la batterie inutilisable.

« L'électrolyte solide sur lequel nous et d'autres travaillons est une sorte de céramique qui permet aux ions Li de circuler facilement d'un côté à l'autre, mais elle est friable », a déclaré l'auteure principale Wendy Gu, professeure associée en génie mécanique. « À une échelle incroyablement petite, ce n'est pas sans rappeler les assiettes ou bols en céramique que vous avez à la maison et qui ont de minuscules fissures sur leurs surfaces. »

« Une vraie batterie à état solide est composée de couches empilées de feuilles cathode-électrolyte-anode. Fabriquer ces couches sans même la plus petite imperfection serait presque impossible et très coûteux », a déclaré Gu. « Nous avons décidé qu'une surface protectrice pourrait être plus réaliste, et juste un peu d'argent semble faire un très bon travail. »

Des recherches précédentes d'autres scientifiques ont étudié l'utilisation de revêtements d'argent métallique sur le même matériau d'électrolyte solide — connu sous le nom de « LLZO » pour son mélange d'atomes de lithium, lanthane et zirconium, ainsi que d'oxygène — avec lequel l'étude actuelle a travaillé. Bien que les études antérieures aient utilisé l'argent métallique pour améliorer la performance des batteries, la nouvelle étude a utilisé une forme dissoute d'argent qui a perdu un électron (Ag⁺). Cet argent dissous, chargé — contrairement à l'argent métallique solide — est directement responsable du durcissement de la céramique contre la formation de fissures.

Les chercheurs ont déposé une couche de 3 nanomètres d'épaisseur d'argent sur des surfaces de LLZO, puis ont chauffé les échantillons jusqu'à 300 °C (572 °F). Pendant le chauffage, les atomes d'argent ont diffusé dans la surface de l'électrolyte, échangeant leurs places avec des atomes de lithium beaucoup plus petits à une profondeur de 20 à 50 nanomètres. L'argent est resté sous forme d'ions chargés positivement plutôt que d'argent métallique, ce que les scientifiques pensent être la clé pour empêcher la formation de fissures. Là où des imperfections existent, la présence de certains ions d'argent positifs empêche également le lithium d'envahir et de faire pousser des branches destructrices à l'intérieur de l'électrolyte.

« Notre étude montre que le dopage d'argent à l'échelle nanométrique peut fondamentalement modifier la façon dont les fissures s'initient et se propagent à la surface de l'électrolyte, produisant des électrolytes solides durables et résistants à la défaillance pour les technologies de stockage d'énergie de nouvelle génération », a déclaré l'ancien chef de recherche Xin Xu, maintenant professeur adjoint en ingénierie à l'Université d'État d'Arizona.

Voici une interview exclusive de Tech Briefs, éditée pour la longueur et la clarté, avec Xu.

Tech Briefs : Quel a été le plus grand défi technique que vous avez rencontré lors du recuit du revêtement ?

Xu : Avant de répondre, je veux clarifier que nous ne sommes définitivement pas le premier groupe à penser à l'argent. Les revêtements d'argent ont été utilisés dans les batteries à état solide depuis quelques années, principalement comme intercouche entre le lithium métallique et un électrolyte solide. Évidemment, ils fonctionnent bien. Mais nous avons abordé cela avec une idée légèrement différente. Nous avons commencé à penser à l'argent comme un élément magique. Il est grand et hautement polarisable.

Cela signifie que les bras de l'argent sont si flexibles qu'ils peuvent comprimer des matériaux dans des endroits où les petits ions ne peuvent pas aller. Notre hypothèse ici est très simple : si l'argent pouvait diffuser ou comprimer l'électrolyte dans la cellule, il pourrait générer une contrainte compressive et en fait durcir le matériau. Cela rendra le matériau plus résistant aux fissures.

Quand nous avons eu cette idée pour la première fois, nous avons pensé : « Quelle difficulté peut-il y avoir ? Il suffit de mettre de l'argent là. » Il s'est avéré que c'était si, si difficile. Le plus grand défi technique était : les électrolytes solides sont extrêmement sensibles à l'air. L'humidité réagit avec le CO₂, et cela formera également une couche de contamination sur la surface. Même en laboratoire, cela arrive si facilement. Une fois cette contamination sur la surface de l'électrolyte formée, l'argent ne peut tout simplement pas faire ce que nous voulons qu'il fasse.

Nous avons finalement réalisé que la propreté de la surface était tout simplement tout. Donc, si nous créons une surface ultra-propre, l'argent pourrait diffuser dans le matériau de l'électrolyte et générer la contrainte compressive que nous visons. À partir de là, nous sommes devenus très obsédés par le contrôle de l'environnement de laboratoire. Nous avons commencé par la préparation des échantillons, de la caractérisation du revêtement aux tests. Chaque étape, tout a été fait dans des conditions strictement contrôlées sans air. Nous avons même conçu un récipient de transfert sans air très unique et personnalisé juste pour ce projet. Nous le vendons même sur Amazon. Une fois que nous l'avons fait, les résultats étaient très clairs. Très excitant.

Tech Briefs : Avez-vous des plans pour de futurs travaux ?

Xu : Nous avons plusieurs choses en tête pour les prochaines étapes. Premièrement, 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 ; il est spécial parce qu'il est grand. Cela signifie que des éléments moins chers mais grands pourraient aussi fonctionner. Par exemple, le sodium, le potassium ou le cuivre. En fait, nous avons déjà eu des résultats très prometteurs avec le cuivre.