Une batterie rechargeable plus sûre, plus écologique et peu coûteuse pour alimenter les véhicules électriques, les téléphones portables et de nombreuses autres applications pourrait être un pas de plus à la suite d'une découverte révolutionnaire des chercheurs du NUS.

L'équipe dirigée par le professeur adjoint Pieremanuele (Piero) Canepa (Département des sciences et de l'ingénierie des matériaux du NUS College of Design and Engineering) a identifié une nouvelle composition d'électrolyte solide à base d'ions sodium qui pourrait permettre une charge et une décharge ultrarapides de la batterie.

Leurs recherches ont récemment été publiées dans Nature Communications .

"Les batteries lithium-ion conventionnelles et largement utilisées sont en proie à des problèmes de sécurité, en particulier en raison de la forte inflammabilité des électrolytes liquides qu'elles contiennent", a déclaré le professeur adjoint Canepa.

"Le défi a été de trouver des alternatives à semi-conducteurs plus sûres qui peuvent rivaliser en termes de vitesse de charge, de longévité et de capacité de charge potentielle."

Batteries haute capacité plus sûres

L'utilisation de matériaux céramiques ininflammables - connus sous le nom d'électrolytes solides - pour créer une batterie entièrement à l'état solide a été largement considérée par les chercheurs comme la meilleure perspective pour fournir des batteries plus sûres et de grande capacité nécessaires pour répondre aux demandes énergétiques d'un avenir à faible émission de carbone.

La difficulté a été de développer la bonne composition de matériau céramique capable de fournir des performances qui rivalisent avec les électrolytes liquides inflammables des batteries lithium-ion commerciales.

La nouvelle composition à l'état solide développée par l'équipe NUS utilise une classe d'électrolytes solides connus sous le nom de NASICON (ou Natrium Super Ionic Conductors) qui ont été découverts pour la première fois il y a environ quatre décennies par Hong et Goodenough - le lauréat du prix Nobel de chimie 2019.

En plus d'être plus sûre, en utilisant du sodium plutôt que du lithium, la batterie a l'avantage supplémentaire d'être moins chère et plus facile à produire.

"La majeure partie du lithium mondial, qui est un élément assez rare en soi, provient de quelques endroits seulement, principalement le Chili, la Bolivie et l'Australie", a déclaré le professeur adjoint Canepa. "L'utilisation d'une batterie qui repose sur le sodium est cependant beaucoup plus efficace, car le sodium peut être extrait facilement et même proprement, même dans un petit endroit comme ici à Singapour."

Approche avancée

La découverte par l'équipe du professeur Asst Canepa a été faite à l'aide d'une approche ascendante qui impliquait d'abord de développer un modèle théorique à l'échelle atomique de la composition céramique NASICON à l'aide de superordinateurs puissants et de nouveaux algorithmes développés par la même équipe.

La composition conçue a ensuite été synthétisée expérimentalement, caractérisée et testée par l'équipe du professeur Masquelier du Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides du CNRS, à Amiens, France. La vitesse de mouvement des ions dans la nouvelle composition NASICON a ensuite été mesurée au NUS et à l'Institut de recherche sur l'énergie et le climat, à Jülich, en Allemagne.

"La méthode que nous avons utilisée permet aux chercheurs d'accélérer le développement et l'optimisation de nouveaux électrolytes solides pour les batteries entièrement à l'état solide, qui sont essentiels pour obtenir des batteries plus sûres avec une densité de puissance élevée", a déclaré le professeur adjoint Canepa.

"Nous pensons que cette approche avancée sera essentielle au développement de la prochaine génération de technologies de stockage d'énergie propre."

La prochaine étape de la recherche, sur laquelle l'équipe travaille actuellement, se concentrera sur le développement d'une batterie solide pleine grandeur utilisant la céramique NASICON et sur la démonstration de ses performances de charge et de décharge.

Le professeur adjoint Canepa dirige le laboratoire de recherche Canepa au NUS, qui exploite la puissance des superordinateurs et des algorithmes de simulation avancés pour repousser les limites de la transformation et du stockage de l'énergie propre.

Recherche du Canepa Lab sur les batteries tout solide

Dans une étude connexe, les chercheurs du Canepa Lab se sont penchés sur l'un des enjeux majeurs du développement des batteries tout solide :l'interface entre l'anode alcaline et l'électrolyte solide, souvent instable et source de défaillance de la batterie. .

La stabilité de cette interface dépend des propriétés de la couche intermédiaire chimiquement distincte qui se forme à la limite, connue sous le nom d'interphase d'électrolyte solide.

Dans leur étude, récemment publiée dans la revue PRX Energy , l'équipe dirigée par le chercheur Yuheng Li, a étudié l'interface de la batterie entre une anode lithium-métal et un électrolyte solide bien connu, au niveau duquel une interphase autolimitante et stable se forme.

Pour comprendre l'origine de cette stabilité, les auteurs ont utilisé des simulations à l'échelle atomique pour modéliser la conductivité électronique de l'interphase. Ils ont découvert que l'interphase est électroniquement isolante, et arrête ainsi sa formation progressive et stabilise l'interface.

L'équipe affirme que leurs découvertes fournissent des directives de conception sur des interfaces de batterie stables, contribuant à accélérer la commercialisation de batteries à semi-conducteurs sûres et hautes performances. + Explorer plus loin

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