L’Université de Liverpool développe un nouvel électrolyte solide capable de surpasser les électrolytes liquides en termes de performance et de sécurité.
Les batteries sont des héros silencieux qui alimentent tout, des plus petits gadgets aux plus grands projets. Les batteries au lithium-ion sont devenues une solution standard, mais elles sont souvent insuffisantes pour répondre aux besoins en matière de puissance, de sécurité et de durée de vie.
Des chercheurs de l’Université de Liverpool ont dévoilé un électrolyte solide capable de répondre à la demande mondiale d’électrification sans carbone, sans les problèmes posés par les batteries au lithium-ion. Mais quelles sont exactement les limites de la technologie des batteries traditionnelles et en quoi la recherche de Liverpool cherche-t-elle à remédier à ces lacunes ?
Batterie au lithium-ion. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Adobe Stock
Batteries au lithium-ion et leurs défis
Une batterie traditionnelle au lithium-ion est principalement composée d’une cathode plongée dans une solution d’électrolyte liquide, séparée par une membrane discernable, et d’une anode à base de lithium. Lors de la décharge, l’énergie électrique est générée par le déplacement des ions lithium de l’anode vers la cathode à travers l’électrolyte. La recharge de la batterie inverse ce processus, permettant aux ions lithium de retourner vers l’anode.
Malgré leur utilisation répandue, les batteries lithium-ion traditionnelles sont confrontées à des défis tels que la faible densité d’énergie, les problèmes potentiels de sécurité et les contraintes en ressources. De nombreuses fois, la conductivité des électrodes influence de manière significative l’efficacité des batteries lithium-ion. En conséquence, les chercheurs consacrent des ressources importantes à l’amélioration des propriétés électrochimiques des électrodes en intégrant différents matériaux innovants dans leur conception et leur application.
Modèle d’électrolytes liquides et solides. Image utilisée avec l’aimable autorisation du Département de l’Énergie
Les électrolytes solides sont des matériaux non liquides qui conduisent les ions dans une batterie. Ils offrent des avantages tels qu’une meilleure sécurité grâce à une réduction du risque de fuite ou de combustion, ce qui permet potentiellement l’utilisation d’anodes au lithium métallique et une densité d’énergie plus élevée. Cependant, les électrolytes solides peuvent avoir une conductivité ionique plus faible par rapport aux électrolytes liquides, ce qui peut affecter les performances de la batterie. Les électrolytes liquides, en revanche, sont généralement des solvants organiques contenant des sels de lithium, offrant une conductivité ionique élevée mais présentant des risques de sécurité tels que l’inflammabilité et les fuites.
L’adoption d’un électrolyte solide capable d’égaler les performances des électrolytes liquides tout en améliorant la sécurité pourrait résoudre de nombreux défis de l’industrie des batteries.
Électrolyte solide à conductivité rapide
Dans l’étude de l’Université de Liverpool, l’équipe a découvert un matériau solide capable de conduire rapidement les ions lithium.
Dans les électrolytes solides classiques, les voies de conduction présentent une géométrie de coordination unique. Au lieu de cela, les chercheurs ont fabriqué des électrolytes utilisant une chimie à base de Li7Si2S7I présentant des agencements ioniques semblables à ceux trouvés dans des systèmes intermétalliques. Cet agencement a résulté en un empilement anionique alternant entre des structures hexagonales compactes. Cela a créé des structures cubiques à faces centrées décalées pour accueillir des complexes de soufre et d’iode, similaires à la structure nickel-zirconium.
En conséquence, les matériaux présentent un réseau de 15 sites de lithium distincts avec des géométries variées et une coordination anionique. Cet ensemble diversifié de voies de conduction facilite une conductivité élevée pour les ions lithium.
L’équipe est parvenue à ce résultat final grâce à un effort de recherche interdisciplinaire collaboratif portant sur la synthèse du matériau, sa structure et sa validation dans les cellules de batterie. En utilisant la modélisation computationnelle et les techniques expérimentales, les chercheurs ont combiné l’intelligence artificielle et les calculs basés sur la physique pour orienter la prise de décision tout au long du processus de découverte. Cette approche a permis d’identifier une structure de matériau redéfinissant le concept d’électrolytes à l’état solide haute performance.
Le matériau, composé d’éléments terrestres non toxiques et abondants, présente une conductivité supérieure aux électrolytes à l’état solide traditionnels, ce qui lui permet potentiellement de remplacer les électrolytes liquides sans compromettre les performances de la batterie. Sa conductivité élevée pour les ions lithium améliore la sécurité et la capacité énergétique de la batterie, en répondant aux principaux défis liés aux électrolytes liquides conventionnels. De plus, la structure unique du matériau diffère des électrolytes solides traditionnels, élargissant l’espace chimique pour de futures découvertes et optimisations.
Triomphe de l’énergie de la batterie
La percée des chercheurs dans le domaine des électrolytes solides pourrait améliorer les performances et la sécurité des batteries lithium-ion, avec des implications allant des véhicules électriques aux appareils électroniques portables. Au-delà de cela, ce développement ouvre la voie à des avancées continues dans la recherche sur les électrolytes solides, offrant la possibilité de solutions de stockage d’énergie encore plus efficaces et durables à l’avenir.