L’équipe emprunte le savoir-faire de l’industrie des semi-conducteurs pour fabriquer de meilleures batteries

Une technique de revêtement utilisée depuis longtemps dans la fabrication de puces informatiques peut potentiellement permettre à une batterie de se charger plusieurs fois au cours de sa durée de vie et la rendre beaucoup plus facile à fabriquer. Les scientifiques du Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE) ont adapté avec succès la technique pour l’utiliser avec des batteries à semi-conducteurs, qui sont des batteries constituées uniquement de matériaux solides.

L’étude, publiée dans Matériaux avancés, est la toute première démonstration de la technique, connue sous le nom de dépôt de couche atomique, sur la forme de poudre d’électrolytes solides contenant du soufre. Les électrolytes sont des matériaux qui transportent des ions (particules chargées) entre les deux électrodes d’une batterie, convertissant ainsi l’énergie chimique en électricité.

Un matériau solide prometteur, mais avec des défis

Les batteries à semi-conducteurs offrent plusieurs avantages potentiels par rapport aux batteries lithium-ion traditionnelles à électrolytes liquides : une sécurité améliorée, la capacité de stocker plus d’énergie par unité de volume et la possibilité de charger plus de fois au cours de leur durée de vie. Ces avantages sont idéaux pour les batteries de véhicules électriques.

L’étude d’Argonne s’est concentrée sur les argyrodites, une classe d’électrolytes solides contenant du soufre. Les argyrodites présentent plusieurs avantages par rapport aux autres électrolytes solides. Ils ont une conductivité ionique plus élevée, ce qui signifie qu’ils peuvent transporter les ions à travers une batterie plus rapidement. Cela peut se traduire par un taux de recharge plus rapide pour les véhicules électriques. Les argyrodites sont également plus faciles et moins coûteuses à transformer en pellets qui seront finalement utilisés dans les batteries.

Mais les argyrodites présentent des défis de fabrication. Parce qu’ils sont très réactifs avec l’air, ils peuvent être difficiles à manipuler dans une usine de production de batteries. De plus, ils réagissent facilement avec les matériaux d’électrode tels que le lithium métallique. Les réactions produisent des produits chimiques qui dégradent la qualité des interfaces électrolyte/électrode. Les réactions peuvent également ralentir le transport des ions lithium, diminuer les performances de la batterie et provoquer la formation de dendrites. Les dendrites sont des structures de lithium en forme d’aiguilles qui rendent les batteries moins sûres et moins durables.

Pour relever ces défis, les chercheurs d’Argonne ont souhaité développer une nouvelle méthode permettant de concevoir avec précision la chimie de la surface de l’argyrodite. Pour être pratique, la méthode devrait être facile à mettre en œuvre dans des installations de fabrication de batteries réelles. Ils ont décidé d’adapter le dépôt de couches atomiques de l’industrie de production de puces. Cette méthode de revêtement implique l’utilisation de vapeurs chimiques qui réagissent avec la surface d’un matériau solide pour former un film mince.

“La surface d’un électrolyte solide joue un rôle crucial dans la façon dont les électrolytes et les électrodes interagissent dans une batterie”, a déclaré Justin Connell, un scientifique des matériaux d’Argonne qui dirige le projet. “Cette méthode nous permet de concevoir la structure de surface au niveau atomique. Nous pensons que ce niveau de contrôle précis est nécessaire pour optimiser les performances des batteries à semi-conducteurs.”

Technique de revêtement démontrée efficace

L’équipe d’Argonne a utilisé le dépôt de couches atomiques pour recouvrir l’électrolyte argyrodite sous forme de poudre. D’autres chercheurs ont déjà utilisé cette technique pour recouvrir l’argyrodite une fois la poudre transformée en pastilles. Mais les chercheurs d’Argonne ont reconnu qu’ils devaient aborder le problème différemment pour intégrer le dépôt de couches atomiques dans la fabrication de batteries à semi-conducteurs à grande échelle.

“Il serait difficile de recouvrir les pellets car ils sont fragiles”, a déclaré Connell. “En outre, les pellets devraient être enrobés par lots, ce qui augmenterait les coûts de fabrication.”

Les chercheurs ont chauffé la poudre et l’ont exposée à de la vapeur d’eau et du triméthylaluminium, produisant une fine couche d’alumine (oxyde d’aluminium) sur toutes les particules d’électrolyte individuelles. À l’Advanced Photon Source d’Argonne, l’équipe a utilisé une technique de caractérisation appelée spectroscopie d’absorption des rayons X pour déterminer que le revêtement ne perturbait pas la structure chimique de l’argyrodite sous-jacente. Cette technique consiste à éclairer le matériau avec des faisceaux intenses de rayons X synchrotron et à mesurer la transmission et l’absorption des rayons X dans le matériau.

Au Centre des matériaux nanométriques d’Argonne, les chercheurs ont utilisé deux techniques pour déterminer que les revêtements épousaient bien les contours des particules d’électrolyte individuelles. La première technique, connue sous le nom de microscopie électronique à transmission par balayage, créait des images de la structure du matériau à l’aide d’un faisceau d’électrons focalisé.

La deuxième technique, appelée spectroscopie à rayons X à dispersion d’énergie, a évalué les éléments contenus dans le matériau. Cela a été réalisé en détectant les rayons X émis par les électrons utilisés dans la technique de microscopie électronique à transmission par balayage. En épousant bien les contours de l’électrolyte, les revêtements peuvent permettre un contact plus uniforme et plus intime entre l’électrolyte et les électrodes, ce qui est essentiel pour de bonnes performances de la batterie.

Les chercheurs ont également constaté que les revêtements réduisaient considérablement la réactivité de la poudre avec l’air. Cela rend la poudre plus facile à traiter dans les installations de fabrication à grande échelle.

Ensuite, les chercheurs ont pressé les poudres enrobées en pastilles et ont incorporé les pastilles dans une cellule de batterie à l’échelle du laboratoire avec une anode (électrode négative) en lithium métallique. Ils ont chargé et déchargé à plusieurs reprises cette batterie ainsi qu’une autre batterie fabriquée avec des électrolytes non revêtus, en comparant leurs performances.

Plusieurs avantages du revêtement, dont un inattendu

L’équipe a constaté que le revêtement diminuait considérablement la réactivité de l’électrolyte avec l’anode au lithium. Cela a également réduit la vitesse à laquelle les électrons s’échappent de l’électrolyte. Ceci est important car on pense que les fuites d’électrons entraînent des réactions qui forment des dendrites.

“Pour des performances optimales d’un véhicule électrique, vous souhaitez que les électrons produits par les réactions chimiques de la batterie – l’électricité – sortent des électrodes vers le moteur de la voiture”, a déclaré Jeffrey Elam, chimiste principal d’Argonne et l’un des auteurs de l’étude.

L’équipe a observé un avantage inattendu du revêtement : il a doublé la conductivité ionique de l’électrolyte.

“Comme l’alumine est un matériau isolant, qui ralentit le mouvement des charges, nous n’avions pas prévu cette amélioration de la conductivité”, a déclaré Zachary Hood, scientifique des matériaux d’Argonne et auteur principal de l’étude.

Ensemble, les avantages du revêtement peuvent augmenter considérablement le nombre de fois qu’une batterie à semi-conducteurs peut se charger et se décharger avant que ses performances ne commencent à se dégrader.

Les chercheurs pensent que le revêtement permet à l’électrolyte d’établir un meilleur contact avec l’anode, de la même manière qu’une gouttelette d’eau se propage sur une surface de verre propre.

“Nous pensons que le revêtement redistribue les ions lithium à la surface de l’électrolyte et crée davantage d’espaces vides le long de la surface pour le passage des ions”, a déclaré Peter Zapol, physicien d’Argonne et l’un des auteurs de l’étude. “Ces facteurs peuvent aider à expliquer l’amélioration de la conductivité.”

Le succès de l’étude ouvre une nouvelle ligne de recherche. Les scientifiques peuvent utiliser la technique de revêtement avec différents électrolytes et revêtements, ce qui pourrait potentiellement faire progresser un large éventail de technologies de batteries à semi-conducteurs.

Les autres auteurs de l’étude sont Anil Mane, Aditya Sundar, Sanja Tepavcevic, Udochukwu Eze, Shiba Adhikari, Eungje Lee et George Sterbinsky.