Les chercheurs ont développé une nouvelle façon d'améliorer l'efficacité des batteries lithium-ion. Grâce à la croissance d'une couche de cristal cubique, les scientifiques ont créé une mince, couche de connexion dense entre les électrodes de la batterie. Le professeur Nobuyuki Zettsu et le professeur Katsuya Teshima ont dirigé la recherche. Les auteurs ont publié leurs résultats dans Rapports scientifiques .

"En raison de certaines caractéristiques intrinsèques des électrolytes liquides, tels que le faible nombre de transport du lithium, réaction complexe à l'interface solide/liquide, et l'instabilité thermique, il n'a pas été possible d'atteindre simultanément une énergie et une puissance élevées dans aucun des dispositifs électrochimiques actuels, " dit Nobuyuki Zettsu, comme premier auteur sur le papier.

Les batteries lithium-ion sont rechargeables et alimentent des appareils tels que les téléphones portables, ordinateurs portables, outils électroportatifs, et même stocker de l'énergie pour le réseau électrique. Ils sont particulièrement sensibles aux flux de température, et sont connus pour provoquer des incendies ou même des explosions. En réponse aux problèmes d'électrolytes liquides, les scientifiques travaillent au développement d'une meilleure batterie tout solide sans liquide.

« Malgré les avantages attendus des batteries tout solide, leur caractéristique de puissance et leurs densités énergétiques doivent être améliorées pour permettre leur application dans des technologies telles que les véhicules électriques à longue autonomie, ", a déclaré Zettsu. "Les capacités à faible débit et les faibles densités d'énergie des batteries tout à l'état solide sont en partie dues à un manque de technologies de formation d'interfaces hétérogènes solide-solide appropriées qui présentent une conductivité emblématique élevée comparable aux systèmes à électrolyte liquide."

Zettsu et son équipe ont fait pousser des cristaux d'électrolyte solide d'oxyde de type grenat dans du LiOH fondu utilisé comme solvant (flux) sur un substrat qui a lié l'électrode à un état solide au fur et à mesure de leur croissance. Un composé cristallin spécifique connu pour croître de manière cubique a permis aux chercheurs de contrôler l'épaisseur et la zone de connexion au sein de la couche, qui agit comme un séparateur en céramique.

"Les observations en microscopie électronique ont révélé que la surface est densément recouverte de cristaux polyédriques bien définis. Chaque cristal est connecté à des cristaux voisins, " a écrit Zettsu.

Zettsu a également déclaré que la couche de cristal nouvellement développée pourrait être le séparateur céramique idéal lors de l'empilement de la couche d'électrolyte sur la couche d'électrode.

"Nous pensons que notre approche ayant une robustesse contre les réactions secondaires à l'interface pourrait éventuellement conduire à la production de séparateurs en céramique idéaux avec une interface mince et dense, " a écrit Zettsu, notant que les céramiques utilisées dans cette expérience particulière étaient trop épaisses pour être utilisées dans des piles solides. "Toutefois, tant que la couche d'électrode peut être aussi mince que 100 microns, la couche d'empilage fonctionnera comme une batterie solide."

Cent microns correspondent à peu près à la largeur d'un cheveu humain, et un peu moins de deux fois l'épaisseur d'une couche d'électrode standard dans les batteries lithium-ion contemporaines. "Les batteries tout solide sont des candidats prometteurs pour les dispositifs de stockage d'énergie, " Zettsu a dit, notant que plusieurs collaborations entre chercheurs et entreprises privées sont déjà en cours dans le but ultime d'afficher des échantillons de batteries entièrement à semi-conducteurs aux Jeux olympiques de 2020 à Tokyo.

Zettsu et d'autres chercheurs prévoient de fabriquer des prototypes de cellules pour l'utilisation de véhicules électriques et pour les appareils portables d'ici 2022.