Des chercheurs de l'Université métropolitaine de Tokyo ont développé une nouvelle méthode pour fabriquer des feuilles d'électrolyte flexibles à base de céramique pour les batteries au lithium métal. Ils ont combiné une céramique de type grenat, un liant polymère et un liquide ionique, produire un électrolyte en feuille quasi solide. La synthèse est réalisée à température ambiante, nécessitant nettement moins d'énergie que la haute température existante (> 1000°C). Il fonctionne sur une large plage de températures, ce qui en fait un électrolyte prometteur pour les batteries, par exemple, dans les véhicules électriques.

Les combustibles fossiles représentent la plupart des besoins énergétiques mondiaux, y compris l'électricité. Mais les combustibles fossiles s'épuisent, et leur combustion conduit également à l'émission directe de dioxyde de carbone et d'autres polluants comme les oxydes d'azote toxiques dans l'atmosphère. Il existe une demande mondiale pour passer à des sources d'énergie renouvelables plus propres. Mais les principales sources d'énergie renouvelable comme l'énergie éolienne et solaire sont souvent intermittentes :le vent ne souffle pas tout le temps et le soleil ne brille pas la nuit. Des systèmes avancés de stockage d'énergie sont donc nécessaires pour utiliser des énergies renouvelables, sources intermittentes plus efficacement. Les batteries lithium-ion ont eu un impact profond sur la société moderne, alimentant une large gamme d'appareils électroniques et d'appareils portables comme les aspirateurs sans fil depuis leur commercialisation par Sony en 1991. Mais l'utilisation de ces batteries dans les véhicules électriques (VE) nécessite encore une amélioration substantielle de la capacité et de la sécurité des appareils Li à la pointe de la technologie. -technologie ionique.

Cela a conduit à une renaissance de l'intérêt de la recherche pour les batteries au lithium métal :les anodes au lithium métal ont une capacité théorique beaucoup plus élevée que les anodes en graphite actuellement utilisées dans le commerce. Il existe encore des obstacles technologiques associés aux anodes au lithium métal. Dans les batteries à base de liquide, par exemple, des dendrites (ou bras) de lithium peuvent se développer, ce qui pourrait court-circuiter la batterie et même provoquer des incendies et des explosions. C'est là qu'interviennent les électrolytes inorganiques à l'état solide :ils sont nettement plus sûrs, et une céramique de type grenat (type de structure) Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , mieux connu sous le nom de LLZO, est maintenant largement considéré comme un matériau électrolytique à l'état solide prometteur pour sa conductivité ionique élevée et sa compatibilité avec le métal Li. Cependant, produire des électrolytes LLZO haute densité nécessite des températures de frittage très élevées, jusqu'à 1200 °C. Ceci est à la fois inefficace en énergie et chronophage, rendant difficile la production à grande échelle d'électrolytes LLZO. En outre, le mauvais contact physique entre les électrolytes LLZO fragiles et les matériaux des électrodes se traduit généralement par une résistance interfaciale élevée, limitant considérablement leur application dans les batteries Li-métal à semi-conducteurs.

Ainsi, une équipe dirigée par le professeur Kiyoshi Kanamura de l'Université métropolitaine de Tokyo a entrepris de développer un électrolyte composite flexible en feuille LLZO pouvant être fabriqué à température ambiante. Ils ont coulé une suspension céramique LLZO sur un substrat polymère mince, comme tartiner du beurre sur du pain grillé. Après séchage en étuve sous vide, l'électrolyte en feuille de 75 microns d'épaisseur a été trempé dans un liquide ionique (IL) pour améliorer sa conductivité ionique. Les LI sont des sels liquides à température ambiante, connu pour être hautement conducteur tout en étant presque ininflammable et non volatil. A l'intérieur des draps, l'IL a réussi à combler les lacunes microscopiques de la structure et à combler les particules LLZO, formant une voie efficace pour les ions Li. Ils ont également réduit efficacement la résistance interfaciale à la cathode. Après une enquête plus approfondie, ils ont découvert que les ions Li diffusaient à la fois à travers les particules IL et LLZO dans la structure, soulignant le rôle joué par les deux. La synthèse est simple et adaptée à la production industrielle :l'ensemble du processus est réalisé à température ambiante sans nécessiter de frittage à haute température.

Bien que des défis demeurent, l'équipe affirme que la robustesse mécanique et l'opérabilité de la feuille composite flexible à une large plage de températures en font un électrolyte prometteur pour les batteries Li-métal. La simplicité de cette nouvelle méthode de synthèse peut signifier que nous verrons des batteries au lithium métal de haute capacité sur le marché plus tôt que nous ne le pensons.