Les électrolytes solides sont considérés comme la clé vers une nouvelle génération de batteries au lithium plus denses, plus légères et avec une durée de vie améliorée. Néanmoins, ceci reste encore de la théorie, car la fabrication d’électrolytes solides au lithium est confrontée à de nombreux problèmes technologiques, comme la présence de réactions chimiques néfastes, à l’interface entre les électrodes et l’électrolyte. Autre problème rencontré dans les batteries utilisant un électrolyte céramique et une anode au lithium solide : le contact solide/solide est insuffisant pour produire la quantité d’énergie nécessaire à la plupart des produits électroniques.
Un électrolyte fluide innovant
L’idée d’utiliser des électrodes métalliques alcalines liquides avec des électrolytes solides n’est cependant pas nouvelle. Cependant, les solutions jusqu’ici proposées avaient l’inconvénient majeur de nécessiter une température de fonctionnement élevée (250 °C à 700 °C), ce qui limite fortement leur champ d’application.
La solution proposée par les équipes de l’université de Carnegie Mellon est totalement différente. L’anode semi-liquide au lithium (SLMA) est constituée d’une dispersion colloïdale homogène de microparticules de lithium, incorporée dans une matrice composite polymère/carbone. La concentration en lithium de ce fluide est de 40 % en volume pour une capacité volumétrique de 800 mAh/mL.
Ainsi, les chercheurs ont réussi à concevoir une nouvelle classe de matériaux qui combine les avantages d’un liquide tout en gardant les propriétés du lithium, pour une température de fonctionnement de seulement 65 °C.
Une solution très performante
Les résultats obtenus par les deux doctorants de Carnegie Mellon, Sipei Li du Mellon College of Science et Han Wang du College of Engineering sont plutôt prometteurs. En effet, en combinant le SLMA avec un électrolyte solide céramique à base de grenat (Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12 ou LLZTO), ils ont réussi à faire fonctionner la cellule à une densité de courant 10 fois supérieure à celle atteinte avec les électrolytes solides traditionnels utilisant une feuille de lithium. La cellule de test a également montré un profil de tension stable avec 150 mV de surtension, sans hystérésis à 1 mA/cm², pour une heure de demi-cycle à 65°C pendant 400 heures.
Un grand nombre d’applications possibles
Les chercheurs pensent que leur méthode pourrait être utilisée pour créer des batteries haute capacité pour les véhicules électriques. Par ailleurs, ce concept serait également transférable aux autres systèmes de batteries rechargeables telles que les batteries au sodium ou au potassium ainsi qu’aux systèmes de stockage d’énergie à grande échelle.
La recherche sur les électrolytes solides au Lithium avance à grands pas
Les batteries à électrolyte solide ont le vent en poupe et cette équipe n’est pas la seule à travailler sur le sujet. Ainsi, des chercheurs japonais (Université du Tōhoku et institut KEK) viennent de développer un conducteur super ionique à base d’hydrures complexes de lithium, ouvrant également la voie vers un nouveau domaine de recherche.
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