Les progrès récents dans le développement des véhicules hybrides et électriques ont accru le besoin de technologies de batteries hautement performantes. Des équipes de recherche du monde entier ont ainsi travaillé sur un large éventail de solutions de batteries alternatives, tout en essayant également d'identifier de nouveaux électrolytes prometteurs pour ces batteries.

Les batteries contenant des électrodes solides et un électrolyte solide, appelées batteries à semi-conducteurs, pourraient constituer une solution alternative viable de stockage d’énergie pour les véhicules électriques. Cependant, les électrolytes céramiques inorganiques traditionnels et les électrolytes polymères organiques souffrent souvent d'une mauvaise flexibilité ou de mauvaises propriétés mécaniques, ce qui a un impact négatif sur les performances des batteries.

Des chercheurs de l'Académie chinoise des sciences ont récemment découvert de nouveaux électrolytes pour batteries à semi-conducteurs basés sur une classe de verre inorganique viscoélastique (VIGLAS). Leur article, publié dans Nature Energy , montre que ces électrolytes possèdent les caractéristiques des électrolytes inorganiques et organiques et pourraient améliorer considérablement la stabilité des cellules de batterie entièrement solides.

"Nous voulions initialement trouver un électrolyte solide inorganique avec un point de fusion bas pour simplifier le processus d'assemblage de la batterie à semi-conducteurs dans un environnement à température légèrement élevée, similaire aux batteries liquides Na-ion", a déclaré Yong Sheng Hu, l'un des ont déclaré à Tech Xplore les chercheurs qui ont réalisé l'étude.

"Basé sur des recherches antérieures sur les batteries au sel fondu utilisant LiAlCl₄ /NaAlCl₄ électrolyte (qui a le point de fusion le plus bas des sels fondus), nous avons essayé de trouver des méthodes pour remplacer partiellement les atomes de Cl afin d'améliorer la conductivité ionique à l'état solide. Enfin, nous avons découvert qu'en introduisant des atomes d'O pour le vitrifier, la conductivité ionique à température ambiante pouvait être améliorée de trois ordres de grandeur, et avons découvert de manière inattendue qu'elle avait une viscoélasticité similaire à celle des polymères organiques."

L'objectif principal des travaux récents de Hu et de ses collègues était de dévoiler de nouveaux électrolytes prometteurs et évolutifs pour les batteries à semi-conducteurs. Tout d'abord, les chercheurs ont synthétisé leurs électrolytes solides à base de VIGLAS, qui sont basés sur le matériau MAlCl_4-2x O_x (MACO, M=Li, Na, 0,5

"Les matériaux VIGLAS possèdent une conductivité ionique élevée (~1 mS cm ^-1 à 30°C) pour les deux Li ⁺ et Na ⁺ , une compatibilité chimio-mécanique supérieure avec les cathodes de 4,3 V, ainsi que la capacité de permettre des batteries à semi-conducteurs à base de Li et de Na sans pression (<0,1 MPa)", a expliqué Hu. "La faible température de fusion (<160°C) permet aux électrolytes d'infiltrer efficacement les matériaux d'électrode, comme une batterie liquide. De plus, la déformabilité des électrolytes facilite la faisabilité d'une mise à l'échelle grâce à la production de films minces via un processus de laminage."

La classe de verre inorganique identifiée par cette équipe de chercheurs possède une combinaison unique de propriétés de type inorganique, notamment une conductivité ionique élevée, une forte résistance à l'oxydation et une caractéristique flexible de type polymère qui permettent la compatibilité avec les cathodes largement utilisées. Lors des premiers tests, les électrolytes à base de ce verre ont obtenu des résultats très prometteurs, infiltrant les matériaux d'électrode ainsi que les électrolytes liquides.

Notamment, les électrolytes de l’équipe pourraient également être faciles à mettre à l’échelle et pourraient être fabriqués à l’aide de processus de fabrication existants. Comme ils sont basés sur des matériaux déformables, ils pourraient être produits à grande échelle grâce à de simples procédés de laminage.

"Nous démontrons qu'il n'y a pas de frontière évidente entre les électrolytes polymères organiques et les électrolytes inorganiques", a ajouté M. Hu. "Les électrolytes inorganiques peuvent également avoir des propriétés mécaniques semblables à celles d'un polymère, ce qui permet d'obtenir des cellules à l'état solide à base de Li et de Na sans pression. Dans nos prochaines études, nous prévoyons d'explorer d'autres électrolytes VIGLAS similaires avec Li/Na- stabilité de l'anode métallique."

Plus d'informations : Tao Dai et al, Électrolytes de verre inorganiques avec une viscoélasticité de type polymère, Nature Energy (2023). DOI :10.1038/s41560-023-01356-y

Informations sur le journal : Énergie naturelle

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