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Des cellules de batterie solide au lithium-métal
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Des chercheurs de la Western University (Canada) ont mis au point un nouvel électrolyte solide au lithium-métal enrichi en vacances, des emplacements atomiques laissés vacants, qui leur a permis la réalisation de prototypes à grande durée de vie de cellules de batteries dotées d’anodes en lithium métallique. Le secteur des batteries lithium-ion est aujourd’hui engagé dans une course à la réalisation de batteries tout-solide. Celles-ci sont composées d’un électrolyte solide remplaçant l’électrolyte liquide organique des batteries lithium-ion, responsable de l’emballement thermique pouvant causer l’explosion des batteries. L’utilisation d’électrolytes solides ouvre aussi la voie à l’usage d'une anode de lithium métallique, synonyme de très haute densité énergétique mais propice à la formation de dendrites, ces fameuses excroissances de lithium métallique pouvant causer des courts-circuits dévastateurs.
Pour parvenir à fabriquer une batterie à anode en lithium métallique, il est donc impératif de trouver un électrolyte solide qui combine une haute conductivité ionique (pour assurer un bon passage des ions lithium d’une électrode à l’autre), une faible conductivité électronique, une stabilité chimique à l’interface avec l’anode de lithium métallique et une résistance à la formation de dendrites. Parmi les trois familles de matériaux principalement étudiées aujourd’hui, halogénures, sulfures et oxydes, aucun électrolyte ne réunit toutes les qualités nécessaires.
Les nitrures tels Li3N constituent une quatrième piste prometteuse, que les chercheurs ont explorée plus avant en fabricant une version de ?-Li3N enrichie en vacances. Par une technique de broyage à haute pression de ?-Li3N commercial, la concentration de vacances sur la totalité des sites de lithium est ainsi passée de 0,3 % à 5,4 %. Ce qui a eu pour conséquence de multiplier par 100 la conductivité ionique de leur matériau. Deux prototypes de cellules de batteries comprenant ce nouvel électrolyte, une anode au lithium métallique, des composés halogénés de revêtement de l’anode, et une cathode - au LiCoO2 (LCO) ou au LiNi0,83Co0,11Mn0,06O2 (NCM83) - ont ensuite été testés par les chercheurs. D’après les résultats de l’étude, ces deux cellules présentent une forte stabilité de cycles charge-décharge pour une charge électrique de 1 C, avec des taux de rétention de capacité dépassant 82 % pour la cellule au LCO après 5000 cycles et 92,5 % pour la cellule au NCM83 après 3500 cycles.
Nature Nanotechnology : https://www.nature.com/articles/s41565-024-01813-z
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