Les scientifiques de l'Institut de technologie de Tokyo ont résolu l'un des principaux inconvénients des batteries entièrement à l'état solide en développant des batteries avec une faible résistance à leur interface électrode/électrolyte solide. Les batteries fabriquées ont montré d'excellentes propriétés électrochimiques qui surpassent largement celles des batteries Li-ion désormais omniprésentes, démontrant ainsi la promesse de la technologie des batteries entièrement à semi-conducteurs et son potentiel de révolutionner l'électronique portable.

De nombreux consommateurs connaissent les batteries lithium-ion rechargeables, qui se sont développées au cours des dernières décennies, et sont maintenant communs dans toutes sortes d'appareils électroniques. Malgré leur large utilisation, les scientifiques et les ingénieurs pensent que la technologie traditionnelle des batteries Li-ion approche déjà de son plein potentiel et que de nouveaux types de batteries sont nécessaires.

Les batteries tout solide sont un nouveau type de batterie Li-ion, et se sont avérés être des dispositifs de stockage d'énergie potentiellement plus sûrs et plus stables avec des densités d'énergie plus élevées. Cependant, l'utilisation de telles batteries est limitée en raison d'un inconvénient majeur :leur résistance à l'interface électrode/électrolyte solide est trop élevée, entravant la charge et la décharge rapides.

Des scientifiques de l'Institut de technologie de Tokyo et de l'Université de Tohoku, dirigé par le professeur Taro Hitosugi, batteries fabriquées entièrement à l'état solide avec une résistance d'interface extrêmement faible utilisant Li (Ni 0,5 Mn 1.5 )O 4 (LNMO), en fabriquant et mesurant leurs batteries sous ultravide, en s'assurant que les interfaces électrolyte/électrode étaient exemptes d'impuretés.

La structure de ces batteries tout solide est illustrée à la figure 1. Après fabrication, les propriétés électrochimiques de ces batteries ont été caractérisées pour faire la lumière sur la distribution Li-ion autour de l'interface. La diffraction des rayons X et la spectroscopie Raman ont été utilisées pour analyser la structure cristalline des films minces constituant les batteries. La migration spontanée des ions Li s'est produite à partir du Li 3 Bon de commande 4 couche à la couche LNMO, conversion de la moitié du LNMO en L 2 NMO au Li 3 Bon de commande 4 /Interface LNMO. La migration inverse se produit pendant le processus de charge initial pour régénérer le LNMO.

La résistance de cette interface, vérifié par spectroscopie d'impédance électrochimique, était de 7,6 cm ² , deux ordres de grandeur inférieurs à ceux des précédentes batteries tout solide à base de LNMO, et encore plus petit que celui des batteries Li-ion à électrolyte liquide utilisant le LNMO. Ces batteries ont également affiché une charge et une décharge rapides, parvenant à charger/décharger la moitié de la batterie en une seconde seulement. De plus, la cyclabilité de la batterie était également excellente, ne montrant aucune dégradation des performances même après 100 cycles de charge/décharge (voir Figure 2).

Li(Ni 0,5 Mn 1.5 )O 4 est un matériau prometteur pour augmenter la densité énergétique d'une batterie, car le matériau fournit une tension plus élevée. L'équipe de recherche espère que ces résultats faciliteront le développement de batteries tout solide hautes performances, qui pourrait révolutionner les appareils électroniques portables modernes et les voitures électriques.