L'amide-borohydrure de lithium est un candidat prometteur pour un électrolyte solide. La structure cristalline de ce matériau est constituée de deux sous-réseaux, montré dans différentes couleurs. Dans des conditions appropriées, ions lithium (rouge), trouvé normalement dans les cellules élémentaires d'un seul sous-réseau (jaune), déplacer vers les cellules vides du deuxième sous-réseau (bleu) où ils peuvent se propager librement. Crédit :FIJ PAN
De nombreux appareils mobiles sont alimentés par des batteries lithium-ion, qui pourrait être plus petit, briquet, plus sûrs et plus efficaces si les électrolytes liquides qu'ils contiennent étaient remplacés par des solides. Un candidat prometteur pour un électrolyte à l'état solide est une nouvelle classe de matériaux à base de composés du lithium, présenté par des physiciens de Suisse et de Pologne.
Les batteries lithium-ion disponibles dans le commerce sont constituées de deux électrodes reliées par un électrolyte liquide. Cet électrolyte rend difficile pour les ingénieurs de réduire la taille et le poids de la batterie. En outre, ils sont sujets à des fuites; le lithium dans les électrodes mises à nu entre alors en contact avec l'oxygène de l'air et s'auto-enflamme. Ce problème a causé l'échouage complet des vols Dreamliner, un exemple spectaculaire des problèmes posés par l'utilisation des batteries lithium-ion modernes.
Les laboratoires recherchent depuis des années des matériaux solides capables de remplacer les électrolytes liquides. Les candidats les plus populaires comprennent des composés dans lesquels les ions lithium sont entourés d'ions soufre ou oxygène. Cependant, dans la revue Matériaux énergétiques avancés , une équipe de scientifiques suisse-polonaise a présenté une nouvelle classe de composés ioniques où les porteurs de charge sont des ions lithium se déplaçant dans un environnement d'ions amine (NH2) et tétrahydroborate (BH4). La partie expérimentale du projet de recherche a été réalisée à l'Empa, les Laboratoires fédéraux suisses pour la science et la technologie des matériaux à Dübendorf, et à l'Université de Genève (UG), dirigé par le professeur Zbigniew Lodziana de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie.
"Nous avions affaire à l'amidure-borohydrure de lithium, une substance précédemment considérée comme un conducteur ionique inadéquat. Ce composé est obtenu par broyage de deux constituants dans un rapport de un à trois. À ce jour, personne n'a jamais testé ce qui arrive à la conductivité ionique lorsque les proportions entre ces constituants sont modifiées. Nous avons été les premiers à le faire, et il s'est avéré qu'en réduisant le nombre de groupes NH2 à une certaine limite, nous pourrions améliorer considérablement la conductivité. Elle augmente tellement qu'elle devient comparable à la conductivité des électrolytes liquides, " dit le Pr Lodziana.
Cette énorme augmentation de la conductivité ionique ouvre une nouvelle, direction inexplorée dans la recherche d'un électrolyte à l'état solide. Précédemment, l'accent était presque exclusivement mis sur les changements dans la composition de la substance chimique. Il est maintenant devenu évident qu'au stade de la production du composé, a les proportions des ingrédients utilisés pour les fabriquer sont déterminantes.
"Notre lithium amide-borohydrure est un représentant d'une nouvelle classe prometteuse de matériaux électrolytiques à l'état solide. Cependant, il faudra un certain temps avant que les batteries construites sur de tels composés ne soient utilisées. Par exemple, il ne doit pas y avoir de réactions chimiques entre l'électrolyte et les électrodes conduisant à leur dégradation. Ce problème attend toujours une solution optimale, " dit le Pr Lodziana.
Les perspectives de recherche sont prometteuses. Les scientifiques ne se sont pas contentés de caractériser les propriétés physico-chimiques du nouveau matériau. Le composé a été utilisé comme électrolyte dans un Li typique
Théoriquement, cependant, le nouveau matériau reste un défi. Précédemment, les chercheurs ont construit des modèles de substances dans lesquelles les ions lithium se déplacent dans un environnement atomique. Dans le nouveau matériel, les ions se déplacent parmi les molécules légères qui ajustent leur orientation pour faciliter le mouvement du lithium.
« Dans le modèle proposé, l'excellente conductivité ionique est une conséquence de la construction spécifique du réseau cristallin du matériau testé. Ce réseau est en fait constitué de deux sous-réseaux. Il s'avère que les ions lithium sont présents ici dans les cellules élémentaires d'un seul sous-réseau. Cependant, la barrière de diffusion entre les sous-réseaux est faible. Dans des conditions appropriées, les ions voyagent ainsi jusqu'à la seconde, sous-réseau vide, où ils peuvent se déplacer en toute liberté, " explique le Pr Lodziana.
Ceci n'explique que certaines des caractéristiques observées du nouveau matériau. Les mécanismes responsables de sa conductivité élevée sont certainement plus complexes. Une étude plus approfondie devrait accélérer considérablement la recherche de composés optimaux pour un électrolyte à l'état solide et, par conséquent, raccourcir le processus de commercialisation de nouvelles sources d'énergie qui sont les plus susceptibles de révolutionner l'électronique portable.
