Les progrès des batteries lithium-ion (Li-ion) ont rendu toutes sortes d'appareils portables réalisables et ont alimenté la croissance de l'électronique. Cependant, les inconvénients intrinsèques des batteries Li-ion classiques, dont les cellules utilisent une solution d'électrolyte liquide, les rendent pas tout à fait adaptés à des applications très attendues comme les véhicules électriques. Ces limitations comprennent une durabilité limitée, faible capacité, des problèmes de sécurité, et les préoccupations environnementales concernant leur toxicité et leur empreinte carbone. Heureusement, les scientifiques se concentrent désormais sur la solution de nouvelle génération à tous ces problèmes :les batteries entièrement à l'état solide. L'utilisation d'un électrolyte solide rend ce type de batteries plus sûr et capable de contenir une plus grande densité de puissance.

Cependant, un problème clé de ces batteries est la résistance élevée trouvée à l'interface électrolyte-électrode, ce qui réduit le rendement des batteries tout solide et les empêche d'être chargées rapidement. Un mécanisme discuté derrière cette résistance d'interface élevée est l'effet de double couche électrique (EDL), qui implique la collecte d'ions chargés à partir d'un électrolyte à l'interface avec une électrode. Cela produit une couche de charge positive ou négative, qui à son tour provoque l'accumulation de charges de signe opposé dans toute l'électrode à une densité égale, créant une double couche de charges. Le problème avec la détection et la mesure de l'EDL dans les batteries entièrement à l'état solide est que les méthodes d'analyse électrochimique conventionnelles ne font pas la différence.

À l'Université des sciences de Tokyo, Japon, des scientifiques dirigés par le professeur agrégé Tohru Higuchi ont résolu cette énigme en utilisant une toute nouvelle méthodologie pour évaluer l'effet EDL dans les électrolytes solides des batteries entièrement à l'état solide. Cette étude, publié en ligne dans Nature's Chimie des communications , a été menée en collaboration avec Takashi Tsuchiya, Chercheur principal au Centre international de nanoarchitectonique des matériaux (MANA), Institut national des sciences des matériaux, Japon, et Kazuya Térabe, Chercheur principal MANA dans la même organisation.

La nouvelle méthode s'articule autour de transistors à effet de champ (FET) fabriqués à partir de diamant hydrogéné et d'un électrolyte solide à base de Li. Les FET sont un transistor à trois bornes dans lequel le courant entre les électrodes de source et de drain peut être contrôlé en appliquant une tension à l'électrode de grille. Cette tension, grâce au champ électrique généré dans la région semi-conductrice du FET, contrôle la densité d'électrons ou de trous (« vacances d'électrons » avec une charge positive). En exploitant ces caractéristiques et en utilisant des canaux diamantés chimiquement inertes, les scientifiques ont exclu les effets de réduction-oxydation chimique affectant la conductivité du canal, ne laissant que les charges électrostatiques accumulées grâce à l'effet EDL comme cause nécessaire.

Par conséquent, les scientifiques ont effectué des mesures d'effet Hall, qui ne sont sensibles aux porteurs chargés qu'à la surface des matériaux, sur les électrodes en diamant. Ils ont utilisé différents types d'électrolytes à base de Li et ont étudié comment leur composition affectait l'EDL. Par leurs analyses, ils ont révélé un aspect important de l'effet EDL :il est dominé par la composition de l'électrolyte au voisinage immédiat de l'interface (environ cinq nanomètres d'épaisseur). L'effet EDL peut être supprimé de plusieurs ordres de grandeur si le matériau électrolytique permet des réactions de réduction-oxydation qui cèdent la place à une compensation de charge. "Notre nouvelle technique s'est avérée utile pour révéler les aspects du comportement de l'EDL à proximité des interfaces d'électrolyte solide et a aidé à clarifier les effets des caractéristiques de l'interface sur les performances des batteries Li-ion à semi-conducteurs et d'autres dispositifs ioniques, " souligne le Dr Higuchi.

L'équipe prévoit maintenant d'utiliser leur méthode pour analyser l'effet EDL dans d'autres matériaux électrolytiques, dans l'espoir de trouver des indices sur la façon de réduire la résistance interfaciale dans les batteries de nouvelle génération. « Nous espérons que notre approche conduira à l'avenir au développement de batteries tout solide à très hautes performances, " conclut le Dr Higuchi. De plus, mieux comprendre l'EDL aidera également au développement de condensateurs, capteurs, et dispositifs de mémoire et de communication. Espérons que l'exploration de ce phénomène complexe devienne plus facile pour d'autres scientifiques afin que le domaine des dispositifs ioniques à l'état solide continue de progresser.