Le professeur Ma Cheng de l'Université des sciences et technologies de Chine (USTC) et ses collaborateurs ont proposé une stratégie efficace pour résoudre le problème de contact électrode-électrolyte qui limite le développement des batteries Li à semi-conducteurs de nouvelle génération. L'électrode composite solide-solide ainsi créée présentait des capacités et des performances de débit exceptionnelles.

Le remplacement de l'électrolyte liquide organique dans les batteries Li-ion conventionnelles par des électrolytes solides peut grandement atténuer les problèmes de sécurité, et potentiellement briser le "plafond de verre" pour l'amélioration de la densité énergétique. Cependant, les matériaux d'électrode principaux sont également des solides. Puisque le contact entre deux solides est presque impossible d'être aussi intime que celui entre solide et liquide, à l'heure actuelle, les batteries à base d'électrolytes solides présentent typiquement un mauvais contact électrode-électrolyte et des performances pleines cellules insatisfaisantes.

"Le problème de contact électrode-électrolyte des batteries à semi-conducteurs est un peu comme la plus courte portée d'un tonneau en bois, " a déclaré le professeur Ma Cheng de l'USTC, l'auteur principal de l'étude. "Réellement, au cours de ces années, les chercheurs ont déjà développé de nombreuses excellentes électrodes et électrolytes solides, mais le mauvais contact entre eux limite toujours l'efficacité du transport Li-ion."

Heureusement, La stratégie de Ma peut surmonter ce formidable défi. L'étude a commencé par l'examen atome par atome d'une phase d'impureté dans un prototype, électrolyte solide à structure pérovskite. Bien que la structure cristalline diffère grandement entre l'impureté et l'électrolyte solide, ils ont été observés pour former des interfaces épitaxiales. Après une série d'analyses structurales et chimiques détaillées, les chercheurs ont découvert que la phase d'impuretés est isostructurale avec les électrodes en couches riches en Li à haute capacité. C'est-à-dire, un prototype d'électrolyte solide peut cristalliser sur le "gabarit" formé par la charpente atomique d'une électrode performante, résultant en des interfaces atomiquement intimes.

"C'est vraiment une surprise, " a déclaré le premier auteur Li Fuzhen, qui est actuellement un étudiant diplômé de l'USTC. "La présence d'impuretés dans le matériau est en fait un phénomène très courant, si communs que la plupart du temps ils seront ignorés. Cependant, après les avoir examinés de près, nous avons découvert ce comportement épitaxial inattendu, et cela a directement inspiré notre stratégie pour améliorer le contact solide-solide."

Profitant du phénomène observé, les chercheurs ont intentionnellement cristallisé la poudre amorphe avec la même composition que l'électrolyte solide à structure pérovskite à la surface d'un composé stratifié riche en Li, et réalisé avec succès une étude approfondie, contact sans couture entre ces deux matériaux solides dans une électrode composite. Une fois le problème de contact électrode-électrolyte résolu, une telle électrode composite solide-solide a fourni une capacité de débit même comparable à celle d'une électrode composite solide-liquide. Plus important, les chercheurs ont également découvert que ce type de contact solide-solide épitaxié peut tolérer de grands décalages de réseau, et donc la stratégie qu'ils ont proposée pourrait également être applicable à de nombreux autres électrolytes solides pérovskites et électrodes en couches.

"Ce travail a indiqué une direction qui mérite d'être poursuivie, " Ma dit. " L'application du principe soulevé ici à d'autres matériaux importants pourrait conduire à des performances cellulaires encore meilleures et à une science plus intéressante. Nous l'attendons avec impatience." Les chercheurs entendent poursuivre leur exploration dans cette direction, et appliquer la stratégie proposée à d'autres hautes capacités, cathodes à haut potentiel.

L'étude est publiée dans Question , un journal de Cell Press, intitulé "Contact atomiquement intime entre les électrolytes solides et les électrodes pour les batteries Li".