Avancée majeure dans la compréhension de la cause de la résistivité élevée aux interfaces électrode-électrolyte, qui a entravé le développement de batteries à haute densité de puissance.

Une équipe de recherche du National Institute for Materials Science (NIMS) dirigée par le chercheur principal Nobuyuki Ishida et le chercheur postdoctoral Hideki Masuda, Groupe de caractérisation de surface, Centre de recherche pour la mesure et la caractérisation avancées (Ishida est également un leader VERT dans le groupe de caractérisation des nano-interfaces), a réussi à visualiser le changement à l'échelle nanométrique de la distribution de potentiel dans les matériaux de cathode composites des batteries lithium-ion à l'état solide (SS-LIB) avant et après la charge/décharge des batteries. Les résultats de cette étude peuvent contribuer à identifier la cause de la résistivité élevée aux interfaces électrode-électrolyte, qui a entravé le développement de SS-LIB à haute densité de puissance.

En raison de leur sécurité éprouvée et de leurs excellentes caractéristiques de cycle, Les SS-LIB sont envisagées comme des batteries de stockage prometteuses de nouvelle génération. Cependant, en raison de la résistance de transfert plus élevée des ions lithium aux interfaces électrode-électrolyte solide par rapport à celle aux interfaces électrode-électrolyte liquide, il est difficile d'augmenter la densité de puissance des SS-LIB. Pour comprendre l'origine de la résistivité interfaciale, la modélisation a été appliquée à la couche appauvrie en ions lithium (couche de charge d'espace), qui se forme dans les électrolytes solides lors de la charge des SS-LIB, et aux défauts au niveau de la couche interfaciale. Pour tester ces hypothèses, il est essentiel de mesurer le changement d'épaisseur de la couche de charge d'espace, et le changement dans la distribution des concentrations d'ions lithium dans cette couche avant et après la charge/décharge des batteries. Puis, il sera possible d'analyser la corrélation entre ces mesures et la résistivité interfaciale. Cependant, il avait été difficile de mesurer la distribution de potentiel électrique dans les échantillons SS-LIB car les échantillons doivent être extraits sans compromettre les performances de la batterie. Cela avait été un problème majeur empêchant les chercheurs d'enquêter sur la cause de la résistivité interfaciale.

L'équipe de recherche a développé une méthode par laquelle les échantillons à mesurer sont découpés dans des SS-LIB, la section transversale des échantillons est traitée, et la distribution potentielle est mesurée à l'aide d'un microscope à sonde à balayage, le tout étant réalisé sous atmosphère de gaz inerte ou sous vide. Ensuite, l'équipe a réussi à visualiser le changement de distribution potentielle résultant de la charge/décharge de la batterie dans la cathode composite à la haute résolution spatiale (≤50 nm) tout en conservant les performances de la batterie. Lorsque les SS-LIB (fournis par Taiyo Yuden Co., Ltd.) ont été évalués à l'aide de cette méthode, les résultats ont indiqué que la zone où les concentrations d'ions lithium diminuaient de l'ordre du micromètre s'étendait dans la région de l'électrolyte solide, et que les états de charge étaient localement inhomogènes.

Cette méthode est applicable à l'évaluation des couches de charge d'espace dans de nombreux types de SS-LIB, et peut contribuer à comprendre les causes de la résistivité interfaciale élevée dans les SS-LIB. En outre, cette méthode est également applicable à l'évaluation des différences d'états de charge/décharge pour des particules de matériau actif individuelles qui surviennent en raison d'une distribution de conductivité électrique non uniforme dans les matériaux d'électrode composites. Par conséquent, la nouvelle méthode peut non seulement contribuer à la conception d'interfaces pour améliorer les performances des SS-LIB, mais également s'appliquer à diverses techniques d'analyse de batterie, y compris l'analyse des causes de la dégradation de la batterie.

Une partie de cette étude a été menée en conjonction avec le projet intitulé "Formation du chemin de conduction super-ionique dans une batterie rechargeable lithium-ion tout-solide grâce à la conception de l'interface de phase cristalline avec des structures contrôlées hiérarchiquement" (Katsuya Teshima, directeur de recherche), qui a été réalisée en complément du projet "Création de matériaux fonctionnels innovants aux propriétés avancées par la conception hyper-nano-spatiale" (Tohru Setoyama, directeur de recherche), dans le cadre des programmes stratégiques de recherche fondamentale (en particulier le programme CREST) ​​parrainés par l'Agence japonaise pour la science et la technologie (JST).