(Phys.org) - En quête de batteries améliorées pour charger les voitures électriques et stocker l'énergie solaire et éolienne renouvelables mais intermittentes, des scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge ont développé le premier électrolyte solide nanostructuré pour des batteries lithium-ion plus denses en énergie.

Les batteries lithium-ion d'aujourd'hui reposent sur un électrolyte liquide, le matériau qui conduit les ions entre l'anode chargée négativement et la cathode positive. Mais les électrolytes liquides entraînent souvent des problèmes de sécurité en raison de leur inflammabilité, d'autant plus que les chercheurs essaient d'emballer plus d'énergie dans un volume de batterie plus petit. Construire des batteries à électrolyte solide, comme l'ont démontré les chercheurs de l'ORNL, pourrait surmonter ces problèmes de sécurité et ces contraintes de taille.

"Pour rendre plus sûr, batterie légère, nous avons besoin de la conception au début pour avoir la sécurité à l'esprit, " a déclaré Chengdu Liang de l'ORNL, qui a dirigé l'étude récemment publiée dans le Journal de l'American Chemical Society . « Nous avons commencé avec un matériau conventionnel très stable dans un système de batterie – en particulier un matériau compatible avec une anode métallique au lithium. »

La possibilité d'utiliser du lithium métal pur comme anode pourrait à terme produire des batteries cinq à 10 fois plus puissantes que les versions actuelles, qui utilisent des anodes à base de carbone.

"Le recyclage du lithium métal hautement réactif dans des électrolytes organiques inflammables pose de sérieux problèmes de sécurité, " Liang a dit. " Un électrolyte solide permet au métal lithium de bien cycler, avec une sécurité très renforcée."

L'équipe de l'ORNL a développé son électrolyte solide en manipulant un matériau appelé thiophosphate de lithium afin qu'il puisse conduire les ions 1, 000 fois plus rapide que sa forme en vrac naturelle. Les chercheurs ont utilisé un processus chimique appelé nanostructuration, qui modifie la structure des cristaux qui composent le matériau.

"Pensez-y en termes d'un gros cristal de quartz contre du sable de plage très fin, " a déclaré le coauteur Adam Rondinone. " Vous pouvez avoir le même volume total de matériel, mais il est divisé en très petites particules qui sont emballées ensemble. Il est composé des mêmes atomes dans à peu près les mêmes proportions, mais à l'échelle nanométrique, la structure est différente. Et maintenant, ce matériau solide conduit les ions lithium à un taux beaucoup plus élevé que le grand cristal d'origine."

Les chercheurs continuent de tester des cellules de batterie à l'échelle du laboratoire, et un brevet sur l'invention de l'équipe est en instance.

"Nous utilisons une température ambiante, une réaction basée sur des solutions qui, selon nous, peut être facilement étendue, " Rondinone a déclaré. "C'est un moyen écoénergétique de fabriquer de grandes quantités de ce matériau."