Crédit :Université de Californie - San Diego
En ce qui concerne les piles, il y a toujours des pistes d'amélioration :la course est lancée pour développer des batteries moins chères, plus sûr, plus durable, plus dense en énergie, et facilement recyclable.
Dans un article de synthèse publié dans le numéro de mars 2020 de Nature Nanotechnologie , Les nano-ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego proposent une feuille de route de recherche qui comprend quatre défis qui doivent être relevés afin de faire progresser une classe prometteuse de batteries, les batteries entièrement à semi-conducteurs, jusqu'à la commercialisation. Cet article résume le travail de l'équipe pour relever ces défis au cours des trois dernières années, qui ont été rapportés dans plusieurs articles à comité de lecture publiés dans diverses revues.
Contrairement aux batteries lithium-ion rechargeables d'aujourd'hui, qui contiennent des électrolytes liquides souvent inflammables, les batteries à électrolytes solides offrent la possibilité d'une plus grande sécurité, en plus de toute une gamme d'avantages, notamment une densité énergétique plus élevée.
Dans le Nature Nanotechnologie revoir l'article, les chercheurs se concentrent sur les électrolytes solides inorganiques tels que les oxydes céramiques ou les verres sulfurés. Les électrolytes solides inorganiques sont une classe relativement nouvelle d'électrolytes solides pour les batteries tout solide (contrairement aux électrolytes solides organiques qui font l'objet de recherches plus approfondies.)
Feuille de route :électrolytes inorganiques pour batteries tout solide
Voici un aperçu de la feuille de route que les chercheurs décrivent dans leur article de synthèse :
« Il est essentiel de prendre du recul et de réfléchir à la manière de relever ces défis simultanément, car ils sont tous interdépendants, " a déclaré Shirley Meng, professeur de nano-ingénierie à la UC San Diego Jacobs School of Engineering. « Si nous voulons tenir la promesse des batteries entièrement à semi-conducteurs, nous devons trouver des solutions qui répondent à tous ces défis en même temps."
En tant que directeur de l'UC San Diego Sustainable Power and Energy Center et directeur de l'UC San Diego Institute for Materials Discovery and Design, Meng est un membre clé d'un groupe de chercheurs à la pointe de la recherche et du développement sur les batteries à semi-conducteurs à l'UC San Diego.
Création d'interfaces chimiques d'électrolyte solide stables
Les électrolytes solides ont parcouru un long chemin depuis leurs débuts, lorsque les premiers électrolytes découverts présentaient des valeurs de conductivité trop faibles pour des applications pratiques. Les électrolytes à l'état solide avancés d'aujourd'hui présentent des conductivités dépassant même celles des électrolytes liquides conventionnels utilisés dans les batteries d'aujourd'hui (supérieures à 10 mS cm -1 ). La conductivité ionique fait référence à la vitesse à laquelle les ions lithium peuvent se déplacer dans l'électrolyte.
Malheureusement, la plupart des électrolytes solides hautement conducteurs signalés sont souvent électrochimiquement instables et rencontrent des problèmes lorsqu'ils sont appliqués contre des matériaux d'électrode utilisés dans les batteries.
"À ce point, nous devrions détourner notre attention de la poursuite d'une conductivité ionique plus élevée. Au lieu, nous devrions nous concentrer sur la stabilité entre les électrolytes à l'état solide et les électrodes, " a déclaré Meng.
Si la conductivité ionique est analogue à la vitesse à laquelle une voiture peut rouler, alors la stabilité de l'interface fait référence à la difficulté de traverser le trafic aux heures de pointe. Peu importe la vitesse à laquelle votre voiture peut rouler si vous êtes coincé dans la circulation sur le chemin du travail.
Des chercheurs de l'UC San Diego ont récemment abordé ce goulot d'étranglement de la stabilité de l'interface, démontrant comment stabiliser l'interface électrode-électrolyte et améliorer les performances de la batterie en utilisant des électrolytes solides avec des conductivités ioniques modérées mais présentant des interfaces stables.
De nouveaux outils pour en opérande diagnostic et caractérisation
Pourquoi les batteries tombent-elles en panne ? Pourquoi un court-circuit se produit-il ? Le processus de compréhension de ce qui se passe à l'intérieur d'une batterie nécessite une caractérisation à l'échelle nanométrique, idéalement en temps réel. Pour les batteries tout solide, c'est extrêmement difficile.
La caractérisation de la batterie repose généralement sur l'utilisation de sondes telles que les rayons X, ou la microscopie électronique ou optique. Dans les batteries lithium-ion commerciales, les électrolytes liquides utilisés sont transparents, permettant l'observation de divers phénomènes au niveau des électrodes respectives. Dans certains cas, ce liquide peut également être lavé pour fournir une surface plus propre pour une caractérisation à plus haute résolution.
« Nous avons beaucoup plus de facilité à observer les batteries lithium-ion d'aujourd'hui. Mais dans les batteries entièrement à l'état solide, tout est solide ou enterré. Si vous essayez les mêmes techniques pour les batteries tout solide, c'est comme essayer de voir à travers un mur de briques, " a déclaré Darren H. S. Tan, un doctorat en nano-ingénierie. candidat à la UC San Diego Jacobs School of Engineering.
En outre, les électrolytes solides et le lithium métal utilisés dans les batteries à semi-conducteurs peuvent être sensibles aux dommages causés par les faisceaux d'électrons. Cela signifie que les techniques de microscopie électronique standard utilisées pour étudier les batteries endommageraient les matériaux d'intérêt avant qu'ils ne puissent être observés et caractérisés.
Les chercheurs de l'UC San Diego surmontent ces défis en utilisant des méthodes cryogéniques pour garder les matériaux de la batterie au frais, atténuant leur décomposition sous la sonde du microscope électronique.
Un autre outil utilisé pour surmonter les obstacles de la caractérisation des interfaces d'électrolytes solides est la tomographie par rayons X. Ceci est similaire à ce que subissent les humains lors de leurs bilans de santé. L'approche a été utilisée dans un article récent sur l'observation - sans ouvrir ni perturber la batterie elle-même - de dendrites de lithium enfouies dans l'électrolyte solide.
Fabrication évolutive et rentable
Les percées dans la recherche sur les batteries ne signifient souvent pas grand-chose si elles ne sont pas évolutives. Cela inclut des avancées pour les batteries entièrement à l'état solide. Si cette classe de batteries doit entrer sur le marché dans les prochaines années, la communauté des batteries a besoin de moyens de fabriquer et de manipuler ses composants sensibles de manière rentable et à grande échelle.
Au cours des dernières décennies, les chercheurs ont développé, en laboratoire, divers matériaux électrolytiques solides qui présentent des propriétés chimiques idéales pour les batteries. Malheureusement, bon nombre de ces matériaux prometteurs sont soit trop coûteux, soit trop difficiles à mettre à l'échelle pour une fabrication en grand volume. Par exemple, beaucoup deviennent très cassants lorsqu'ils sont suffisamment minces pour la fabrication de rouleaux à rouleaux, qui demande des épaisseurs inférieures à 30 micromètres.
En outre, les méthodes de production d'électrolytes solides à plus grande échelle ne sont pas bien établies. Par exemple, la plupart des protocoles de synthèse nécessitent plusieurs processus énergétiques qui incluent plusieurs broyages, étapes de recuit thermique et de mise en solution.
Pour surmonter de telles limitations, les chercheurs de l'UC San Diego fusionnent plusieurs domaines d'expertise. Ils combinent des céramiques utilisées dans les sciences des matériaux traditionnelles avec des polymères utilisés en chimie organique pour développer des électrolytes solides flexibles et stables compatibles avec des processus de fabrication évolutifs. Pour résoudre les problèmes de synthèse de matériaux, l'équipe rapporte également comment les matériaux d'électrolyte solide peuvent être produits de manière évolutive en utilisant une fabrication en une seule étape sans avoir besoin d'étapes de recuit supplémentaires.
Des batteries conçues pour la recyclabilité
Les batteries usagées contiennent des matériaux précieux et en abondance limitée tels que le lithium et le cobalt qui peuvent être réutilisés.
Lorsqu'ils atteignent la fin de leur cycle de vie, ces piles doivent aller quelque part, ou bien ils seront simplement accumulés au fil du temps en tant que déchets.
Les méthodes de recyclage d'aujourd'hui, cependant, sont souvent chers, gourmande en énergie et en temps, et inclure des produits chimiques toxiques pour le traitement. De plus, ces méthodes ne récupèrent qu'une petite fraction des matériaux de la batterie en raison des faibles taux de recyclage des électrolytes, sels de lithium, séparateur, additifs et matériaux d'emballage. En grande partie, c'est parce que les batteries d'aujourd'hui n'ont pas été conçues avec une recyclabilité rentable dès le départ.
Les chercheurs de l'UC San Diego sont à l'avant-garde des efforts visant à concevoir la réutilisabilité et la recyclabilité dans les batteries tout solide de demain.
« La réutilisation et la recyclabilité rentables doivent être intégrées aux futures avancées nécessaires pour développer des batteries entièrement à l'état solide qui fournissent des densités d'énergie élevées de 500 wattheures par kg ou mieux, ", a déclaré le professeur de nano-ingénierie de l'UC San Diego, Zheng Chen. "Il est essentiel que nous ne commettions pas les mêmes erreurs de recyclabilité que celles commises avec les batteries lithium-ion."
Les batteries doivent également être conçues en tenant compte de leur cycle de vie complet. Cela signifie concevoir des batteries qui sont censées rester utilisées bien après qu'elles soient tombées en dessous des 60 à 80 pour cent de leur capacité d'origine, ce qui marque souvent la fin de la durée de vie utile d'une batterie. Cela peut être fait en explorant des utilisations secondaires pour les batteries telles que le stockage stationnaire ou pour l'alimentation de secours, prolonger leur durée de vie avant qu'ils n'atteignent enfin les centres de recyclage.
Les batteries entièrement à l'état solide avec des électrolytes organiques sont très prometteuses en tant que future technologie de batterie qui fournira une densité énergétique élevée, sécurité, longue durée de vie et recyclabilité. Mais transformer ces possibilités en réalités nécessitera des efforts de recherche stratégique qui considèrent comment les défis restants, y compris la recyclabilité, sont interdépendants.
