Les batteries à semi-conducteurs pourraient jouer un rôle clé dans les véhicules électriques, promettant une charge plus rapide, une plus grande autonomie et une durée de vie plus longue que les batteries lithium-ion conventionnelles. Mais les techniques actuelles de fabrication et de traitement des matériaux laissent les batteries à semi-conducteurs sujettes aux pannes. Maintenant, les chercheurs ont découvert une faille cachée derrière les échecs. La prochaine étape consiste à concevoir des matériaux et des techniques qui tiennent compte de ces défauts et à produire des batteries de nouvelle génération.

Dans une batterie à semi-conducteurs, des particules chargées appelées ions se déplacent à travers la batterie dans un matériau solide, contrairement aux batteries lithium-ion traditionnelles, dans lesquelles les ions se déplacent dans un liquide. Les cellules à semi-conducteurs offrent des avantages, mais des variations locales ou de minuscules défauts dans le matériau solide peuvent entraîner l'usure ou le court-circuit de la batterie, selon les nouvelles découvertes.

"Un matériau uniforme est important", a déclaré le chercheur principal Kelsey Hatzell, professeur adjoint de génie mécanique et aérospatial et du Centre Andlinger pour l'énergie et l'environnement. "Vous voulez que les ions se déplacent à la même vitesse à chaque point de l'espace."

Dans un article publié le 1er septembre dans la revue Nature Materials , Hatzell et ses co-auteurs ont expliqué comment ils ont utilisé des outils de haute technologie au Laboratoire national d'Argonne pour examiner et suivre les changements de matériaux à l'échelle nanométrique dans une batterie tout en chargeant et en déchargeant la batterie. L'équipe de recherche, représentant Princeton Engineering, Vanderbilt et Argonne and Oak Ridge National Labs, a examiné les grains constitués de cristaux dans l'électrolyte solide de la batterie, la partie centrale de la batterie à travers laquelle la charge électrique se déplace. Les chercheurs ont conclu que les irrégularités entre les grains peuvent accélérer la défaillance de la batterie en déplaçant les ions plus rapidement d'une région de la batterie à une autre. L'ajustement des approches de traitement et de fabrication des matériaux pourrait aider à résoudre les problèmes de fiabilité des batteries.

Les batteries stockent l'énergie électrique dans les matériaux qui composent ses électrodes :l'anode (l'extrémité d'une batterie marquée du signe moins) et la cathode (l'extrémité de la batterie marquée du signe plus). Lorsque la batterie décharge de l'énergie pour alimenter une voiture ou un smartphone, les particules chargées (appelées ions) se déplacent à travers la batterie jusqu'à la cathode (l'extrémité +). L'électrolyte, solide ou liquide, est le chemin parcouru par les ions entre l'anode et la cathode. Sans électrolyte, les ions ne peuvent pas se déplacer et stocker de l'énergie dans l'anode et la cathode.

Dans une batterie à semi-conducteurs, l'électrolyte est généralement une céramique ou un verre dense. Les batteries à semi-conducteurs à électrolyte solide peuvent utiliser des matériaux plus denses en énergie (par exemple, le lithium métal) et rendre les batteries plus légères et plus petites. Le poids, le volume et la capacité de charge sont des facteurs clés pour les applications de transport telles que les véhicules électriques. Les batteries à semi-conducteurs devraient également être plus sûres et moins sensibles aux incendies que les autres formes.

Les ingénieurs savaient que les batteries à semi-conducteurs sont susceptibles de tomber en panne au niveau de l'électrolyte, mais les pannes semblaient se produire au hasard. Hatzell et ses co-chercheurs soupçonnaient que les échecs pourraient ne pas être aléatoires mais en fait causés par des changements dans la structure cristalline de l'électrolyte. Pour explorer cette hypothèse, les chercheurs ont utilisé le synchrotron du Laboratoire national d'Argonne pour produire de puissants rayons X qui leur ont permis de regarder dans la batterie pendant le fonctionnement. Ils ont combiné des techniques d'imagerie par rayons X et de diffraction à haute énergie pour étudier la structure cristalline d'un électrolyte de grenat à l'échelle de l'angström, soit à peu près la taille d'un seul atome. Cela a permis aux chercheurs d'étudier les changements dans le grenat au niveau du cristal.

Un électrolyte grenat est composé d'un ensemble de blocs de construction appelés grains. Dans un seul électrolyte (1 mm de diamètre) il y a près de 30 000 grains différents. Les chercheurs ont découvert qu'à travers les 30 000 grains, il y avait deux arrangements structurels prédominants. Ces deux structures déplacent les ions à des vitesses variables. De plus, ces formes ou structures différentes "peuvent conduire à des gradients de stress qui conduisent les ions à se déplacer dans des directions différentes et les ions évitant des parties de la cellule", a déclaré Hatzell.

Elle a comparé le mouvement des ions chargés à travers la batterie à l'eau descendant une rivière et rencontrant un rocher qui redirige l'eau. Les zones traversées par de grandes quantités d'ions ont tendance à avoir des niveaux de stress plus élevés.

"Si vous avez tous les ions allant à un seul endroit, cela va provoquer une défaillance rapide", a déclaré Hatzell. "Nous devons contrôler où et comment les ions se déplacent dans les électrolytes afin de construire des batteries qui dureront des milliers de cycles de charge."

Hatzell a déclaré qu'il devrait être possible de contrôler l'uniformité des grains grâce à des techniques de fabrication et en ajoutant de petites quantités de différents produits chimiques appelés dopants pour stabiliser les formes cristallines dans les électrolytes.

"Nous avons beaucoup d'hypothèses qui n'ont pas été testées sur la manière d'éviter ces hétérogénéités", a-t-elle déclaré. "Ce sera certainement difficile, mais pas impossible."

L'article, "Polymorphism of Garnet Solid Electrolytes and Its Implications on Grain Level Chemo-Mechanics", a été publié dans la revue Nature Materials . + Explorer plus loin

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