Ci-dessus, les illustrations conceptuelles des phénomènes de transport d'ions dans les conducteurs d'ions cristallins poreux :approches précédentes (en haut) et cette étude (en bas). Crédit :UNIST
Une étude récente, affilié à l'Institut national des sciences et technologies d'Ulsan en Corée du Sud (UNIST) a fait la démonstration de nouveaux produits sans solvant, COF conducteur unique au lithium-ion.
Une batterie à semi-conducteurs est considérée comme une batterie sûre qui n'explose pas. C'est une forme de renforcement de la sécurité en utilisant un électrolyte solide au lieu d'un électrolyte liquide adhérant au feu. En tant que tel, les performances des électrolytes solides sont importantes, et de nouveaux matériaux conceptuels ont été récemment développés qui amélioreront considérablement ses performances.
Cette percée a été menée conjointement par le professeur Sang-Young Lee et le professeur Sang Kyu Kwak de l'École d'ingénierie énergétique et chimique de l'UNIST. Dans cette étude, l'équipe a fait la démonstration d'un nouveau concept, à savoir "conducteur ionique solide" qui déplace sélectivement les ions lithium à travers les canaux ioniques, comme les tronçons d'autoroutes. Parce qu'ils sont solides et capables de ne transmettre efficacement que des ions lithium, il devrait être utilisé comme matériau source de la batterie de prochaine génération, comme une batterie haute tension ou une batterie au lithium métal.
Les batteries lithium-ion actuelles utilisent des électrolytes liquides hautement inflammables, sont donc vulnérables au feu ou à l'explosion. Comme alternative, un électrolyte solide est en cours de développement, mais la conduction ionique est inférieure à celle de l'électrolyte liquide. En particulier, de nombreux électrolytes solides rapportés à ce jour ont des limites dans l'amélioration des performances de la batterie car les ions migrent le long d'un chemin sinueux et compliqué.
La cellule symétrique a montré un comportement de placage/dénudage de Li stable et fiable pendant plus de 320 h sans augmentation appréciable et sans fluctuation irréversible de la surtension. Crédit :UNIST
Le professeur Lee a fait différents efforts pour résoudre ce problème, utilisant des matériaux cristallins poreux, tels que les cadres organiques covalents (COF), comme conducteurs d'ions. A l'intérieur de ce matériau, il y a des passages régulièrement aménagés, qui sont conçus pour aller uniquement avec des ions lithium, améliorant considérablement les performances de conduction ionique.
"Le conducteur d'ions nouvellement développé est une phase solide qui n'utilise pas du tout de liquide, " déclare le Dr Kihun Jeong de l'École d'ingénierie énergétique et chimique de l'UNIST, le premier auteur de cette étude. "Cela permet également de réaliser un comportement de conduction lithium-ion unique à l'état solide."
Le comportement de conduction lithium-ion unique fait référence à une situation idéale, dans lequel seuls les ions lithium sont transmis à travers un électrolyte. Les ions lithium étant des ions positifs, il est courant de déplacer les ions négatifs ensemble. Une telle migration inutile de l'anion provoque une réaction secondaire indésirable sur la surface de l'électrode, réduisant ainsi les performances de la batterie.
Dans cette étude, des structures de squelette organique ont été synthétisées à l'aide de monomères anioniques associés à des ions lithium. Les anions sont fixés dans le cadre du chemin parcouru par les ions lithium. Par conséquent, un écoulement idéal a été réalisé qui s'est déplacé vers le passage de la structure lithium-ion uniquement. Les chercheurs ont théoriquement identifié l'utilisation de la chimie computationnelle dans laquelle les ions lithium migrent le long des atomes d'oxygène qui sont régulièrement alignés dans les passages des conducteurs d'ions.
"Cette étude présente une nouvelle direction pour la conception de conducteurs ioniques solides, jeter les bases du développement d'« électrolytes solides à haute performance, ' qui sont essentiels pour la commercialisation des batteries de nouvelle génération, y compris toutes les batteries à l'état solide, " dit le professeur Lee. " En particulier, les ions lithium peuvent être délivrés de manière sélective et efficace tout en éliminant complètement le solvant organique susceptible de provoquer une explosion."
Il ajoute, "Les propriétés de ces conducteurs ioniques ne conviennent pas seulement comme électrolyte pour toutes les cellules à semi-conducteurs, mais ils peuvent aussi s'appliquer à des électrodes de lithium métal hautement réactives, qui peut être utilisé pour les batteries au lithium métal, qui attirent l'attention en tant que batteries à haute énergie."
