Des scientifiques de l'Université de Tohoku et de l'Organisation de recherche sur les accélérateurs de haute énergie ont développé un nouveau conducteur superionique au lithium à hydrure complexe qui pourrait donner lieu à des batteries entièrement à l'état solide avec la densité d'énergie la plus élevée à ce jour. Les chercheurs disent que le nouveau matériau, obtenu en concevant des structures de clusters d'hydrogène (anions complexes), montre une stabilité nettement élevée contre le lithium métal, ce qui en ferait le matériau d'anode ultime pour les batteries tout solide.

Les batteries tout solide incorporant une anode au lithium métal ont le potentiel de résoudre les problèmes de densité énergétique des batteries lithium-ion conventionnelles. Mais jusqu'à maintenant, leur utilisation dans des cellules pratiques a été limitée par la résistance élevée au transfert d'ions lithium, causée principalement par l'instabilité de l'électrolyte solide contre le lithium métal. Ce nouvel électrolyte solide qui présente une conductivité ionique élevée et une grande stabilité vis-à-vis du lithium métal représente donc une véritable avancée pour les batteries tout solide utilisant une anode au lithium métal.

"Nous espérons que ce développement n'inspirera pas seulement les efforts futurs pour trouver des conducteurs superioniques au lithium basés sur des hydrures complexes, mais aussi ouvrir une nouvelle tendance dans le domaine des matériaux à électrolyte solide pouvant conduire au développement de dispositifs électrochimiques à haute densité énergétique, " a déclaré Sangryun Kim du groupe de recherche de Shin-ichi Orimo à l'université de Tohoku.

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Les batteries tout solide sont des candidats prometteurs pour résoudre les inconvénients intrinsèques des batteries lithium-ion actuelles, comme une fuite d'électrolyte, inflammabilité et densité d'énergie limitée. Le lithium métal est largement considéré comme le matériau d'anode ultime pour les batteries à semi-conducteurs, car il a la capacité théorique la plus élevée (3860 mAh g ^-1 ) et le potentiel le plus bas (-3,04 V par rapport à une électrode à hydrogène standard) parmi les matériaux d'anode connus.

Les électrolytes solides conducteurs au lithium sont un composant clé des batteries tout solide car la conductivité ionique et la stabilité de l'électrolyte solide déterminent les performances de la batterie. Le problème est que la plupart des électrolytes solides existants ont une instabilité chimique/électrochimique et/ou un mauvais contact physique avec le lithium métal, provoquant inévitablement des réactions secondaires indésirables à l'interface. Ces réactions secondaires entraînent une augmentation de la résistance interfaciale, dégradant considérablement les performances de la batterie lors de cycles répétés.

Comme le révèlent les études précédentes, qui proposait des stratégies telles que l'alliage du lithium métal et la modification de l'interface, ce processus de dégradation est très difficile à traiter car son origine est la forte réactivité thermodynamique de l'anode de lithium métal avec l'électrolyte. Les principaux défis liés à l'utilisation de l'anode au lithium métallique sont la stabilité élevée et la conductivité élevée des ions lithium de l'électrolyte solide.

"Les hydrures complexes ont reçu beaucoup d'attention pour résoudre les problèmes associés à l'anode au lithium métallique en raison de leur stabilité chimique et électrochimique exceptionnelle contre l'anode au lithium métallique, " a déclaré Kim. "Mais en raison de leur faible conductivité ionique, l'utilisation d'hydrures complexes avec l'anode métallique de lithium n'a jamais été tentée dans des batteries pratiques. Nous étions donc très motivés pour voir si le développement d'hydrures complexes qui présentent une conductivité superionique au lithium à température ambiante peut permettre l'utilisation d'anodes métalliques au lithium. Et ça a marché."