Schéma de l'architecture complète des cellules de batterie et image microscopique en coupe transversale de la batterie réelle. Crédit :Laboratoires nationaux Sandia
Des recherches menées aux laboratoires nationaux Sandia ont identifié un obstacle majeur à l'amélioration des performances des batteries lithium-ion à semi-conducteurs dans les petits appareils électroniques :le flux d'ions lithium à travers les interfaces de batterie.
Le projet de recherche et développement dirigé par un laboratoire de trois ans de Sandia a étudié la chimie à l'échelle nanométrique des batteries à l'état solide, en se concentrant sur la région où les électrodes et les électrolytes entrent en contact. La plupart des batteries lithium-ion commerciales contiennent un électrolyte liquide et deux électrodes solides, mais les batteries à semi-conducteurs ont à la place une couche d'électrolyte solide, leur permettant de durer plus longtemps et de fonctionner de manière plus sûre.
« L'objectif sous-jacent des travaux est de rendre les batteries à l'état solide plus efficaces et d'améliorer les interfaces entre les différents matériaux, » a déclaré Farid El Gabaly, physicien de Sandia. « Dans ce projet, tous les matériaux sont solides; nous n'avons pas d'interface liquide-solide comme dans les batteries lithium-ion traditionnelles."
La recherche a été publiée dans un Lettres nano papier intitulé, "Migration Li+ non faradique et coordination chimique entre les interfaces de batteries à semi-conducteurs." Les auteurs incluent le scientifique postdoctoral Sandia Forrest Gittleson et El Gabaly. Le travail a été financé par le programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire, avec un financement supplémentaire de l'Office of Science du ministère de l'Énergie.
El Gabaly a expliqué que dans toute batterie au lithium, le lithium doit faire des allers-retours d'une électrode à l'autre lorsqu'il est chargé et déchargé. Cependant, la mobilité des ions lithium n'est pas la même dans tous les matériaux et les interfaces entre matériaux sont un obstacle majeur.
Accélérer l'intersection
El Gabaly compare le travail à la recherche d'un moyen de faire circuler rapidement la circulation dans une intersection très fréquentée.
"Pour nous, nous essayons de réduire les embouteillages à la jonction entre deux matériaux, " il a dit.
El Gabaly a comparé l'interface électrode-électrolyte à un poste de péage ou à une fusion sur une autoroute.
"Nous supprimons essentiellement les péages en espèces et disons que tout le monde doit passer par la voie rapide, donc vous lissez ou éliminez les ralentissements, " a-t-il déclaré. " Lorsque vous améliorez le processus à l'interface, vous disposez de la bonne infrastructure pour que les véhicules puissent passer facilement. Vous devez encore payer, mais c'est plus rapide et plus contrôlé que les gens qui cherchent des pièces dans la boîte à gants."
Il existe deux interfaces importantes dans les batteries à semi-conducteurs, il expliqua, à la jonction cathode-électrolyte et à la jonction électrolyte-anode. L'un ou l'autre pourrait dicter les limites de performance d'une batterie pleine.
Gittleson ajoute, "Lorsque nous identifions l'un de ces goulots d'étranglement, nous demandons, « Pouvons-nous le modifier ? » Et puis nous essayons de changer l'interface et de rendre les processus chimiques plus stables dans le temps."
Forrest Gittleson, chercheurs du Sandia National Laboratories, la gauche, et Farid El Gabaly étudient la chimie à l'échelle nanométrique des batteries à l'état solide, en se concentrant sur la région où les électrodes et les électrolytes entrent en contact. Crédit :Dino Vournas
L'intérêt de Sandia pour les batteries à l'état solide
El Gabaly a déclaré que Sandia s'intéresse à la recherche principalement parce que les batteries à semi-conducteurs nécessitent peu d'entretien, fiable et sûr. Les électrolytes liquides sont généralement réactifs, volatiles et hautement inflammables et sont l'une des principales causes de défaillance des batteries commerciales. L'élimination du composant liquide peut améliorer les performances de ces appareils.
"Notre objectif n'était pas sur les grosses batteries, comme dans les véhicules électriques, " a déclaré El Gabaly. "C'était plus pour l'électronique petite ou intégrée."
Étant donné que le laboratoire californien de Sandia n'a pas mené de recherche sur les batteries à semi-conducteurs, le projet a d'abord jeté les bases du prototype de batteries et d'examen des interfaces.
"Ce genre de caractérisation n'est pas anodin car les interfaces qui nous intéressent ne sont que de quelques couches atomiques d'épaisseur, " Gittleson a déclaré. "Nous utilisons des rayons X pour sonder la chimie de ces interfaces enterrées, voir à travers seulement quelques nanomètres de matériau. Bien qu'il soit difficile de concevoir des expériences, nous avons réussi à sonder ces régions et à relier la chimie aux performances complètes de la batterie. »
Traitement de la recherche
La recherche a été menée en utilisant des matériaux qui ont été utilisés dans des batteries à semi-conducteurs de preuve de concept précédentes.
« Étant donné que ces matériaux ne sont pas produits à une échelle commerciale massive, nous devions pouvoir fabriquer des appareils complets sur place, " a déclaré El Gabaly. " Nous avons cherché des méthodes pour améliorer les batteries en insérant ou en changeant les interfaces de diverses manières ou en échangeant des matériaux. "
Les travaux ont utilisé le dépôt par laser pulsé et la spectroscopie photoélectronique aux rayons X combinées à des techniques électrochimiques. Cela a permis un dépôt à très petite échelle puisque les batteries sont minces et intégrées sur une plaquette de silicium.
« En utilisant cette méthode, nous pouvons concevoir l'interface jusqu'au niveau nanométrique ou même subnanométrique, " Gittleson a dit, ajoutant que des centaines d'échantillons ont été créés.
Construire des batteries de cette manière a permis aux chercheurs d'avoir une vue précise de l'apparence de cette interface, car les matériaux peuvent être assemblés de manière si contrôlable.
La prochaine phase de la recherche consiste à améliorer les performances des batteries et à les assembler aux côtés d'autres technologies Sandia.
« Nous pouvons maintenant commencer à combiner nos batteries avec des LED, capteurs, petites antennes ou n'importe quel nombre de dispositifs intégrés, " a déclaré El Gabaly. " Même si nous sommes satisfaits de la performance de notre batterie, nous pouvons toujours essayer de l'améliorer davantage."
