Une équipe coréenne présente les principes de conception universels pour les batteries à semi-conducteurs

Une équipe de recherche coréenne a présenté les premiers principes de conception universels pour les batteries à l’état solide, signalant un changement de paradigme dans la recherche sur la conception de batteries qui manquait auparavant de références standard.

Le Dr Jinsoo Kim du Centre de recherche et développement sur les technologies énergétiques avancées d’Ulsan de l’Institut coréen de recherche sur l’énergie (KIER) et l’équipe de recherche du professeur Sung-Kyun Jung de l’Institut national des sciences et technologies d’Ulsan (UNIST) ont développé conjointement des principes de conception et une boîte à outils de conception polyvalente pour la mise en œuvre de batteries à semi-conducteurs à haute densité énergétique et ont terminé la vérification des performances.

L’article est publié dans la revue Nature Communications.

Avec l’augmentation de la demande mondiale en matière d’électrification, une ère où tout sera alimenté par des batteries approche. En réponse, le gouvernement coréen a annoncé la « Stratégie nationale de renforcement de la compétitivité de l’industrie des batteries » pour soutenir le développement ciblé de la technologie nationale des batteries à semi-conducteurs.

Les batteries à l’état solide utilisent des électrolytes solides non inflammables au lieu des électrolytes liquides inflammables que l’on trouve dans les batteries lithium-ion, ce qui les rend plus sûres et moins sujettes aux incendies. De plus, elles offrent l’avantage d’augmenter considérablement la densité énergétique grâce à une conception structurelle efficace des cellules et du système.

Jusqu’à récemment, des recherches fondamentales sur les batteries à l’état solide ont été menées, avec de nombreux résultats obtenus en laboratoire. Cependant, l’absence de directives scientifiques pour la conception d’électrodes et de cellules pratiques a conduit à un développement inefficace, car il repose principalement sur l’expérience des chercheurs pour combiner les matériaux et contrôler les paramètres de conception.

Pour résoudre ce problème, l’équipe de recherche a défini les paramètres de conception quantitatifs de la batterie comme le seuil d’équilibre, le seuil de percolation et le seuil de charge. Cela a conduit à la présentation des premiers principes universels de conception de batteries à l’état solide. La cellule à poche produite sur la base de ces principes a démontré une densité énergétique de 310 Wh/kg, surpassant celle des batteries au lithium commerciales, et a obtenu une certification par un tiers.

Les batteries à l’état solide sont constituées d’une cathode composite, d’une anode et d’un électrolyte solide. La densité énergétique augmente avec la densité des matériaux actifs de la cathode. En se basant sur la structure « cubique fermée », où les particules sphériques sont disposées à une densité maximale, l’équipe de recherche a défini le rapport standard d’électrolyte solide remplissant les espaces entre les particules comme le « seuil d’équilibre ».

À ce seuil d’équilibre, le rapport volumique de la matière active est de 74 % et celui de l’électrolyte solide est de 26 %. En ajustant le rapport en fonction de cette valeur, des stratégies de conception peuvent être déterminées entre la densité énergétique et la densité de puissance.

La condition minimale de conduction des ions lithium dans la cathode composite a également été établie. L’équipe de recherche a défini la densité minimale à laquelle les particules composites de matériaux actifs et d’électrolytes solides sont en contact les unes avec les autres comme le « seuil de percolation ».

Dans ces conditions, l’espace entre les particules composites doit être de 26 % ou moins. Si l’espace dépasse ce pourcentage, les particules ne seront pas en contact, empêchant le flux ionique et empêchant la batterie de fonctionner.

De plus, l’équipe de recherche a mis au point une méthode permettant de concevoir l’épaisseur de l’électrode en calculant les conditions spécifiques dans lesquelles la chute de tension se produit à l’intérieur de la cathode. L’épaisseur de l’électrode est déterminée par la chute de tension due à la résistance et à la densité de courant.

L’équipe a défini le modèle idéal comme une combinaison de conditions dans lesquelles la chute de tension est inférieure à 100 mV (millivolts), appelant cela le « seuil de charge ». Cette condition peut être utilisée comme ligne directrice pour optimiser l’épaisseur des plaques d’électrodes lors de la combinaison de divers matériaux et de la conception d’électrodes.

L’équipe de recherche a appliqué avec succès les principes de conception élaborés pour construire une cellule de poche d’une capacité de 0,5 Ah et d’une densité énergétique élevée de 310 Wh/kg. La cellule produite a reçu la certification de test officielle des Korea Conformity Laboratories (KCL), démontrant la cohérence de leurs principes de conception.

L’équipe de recherche a également développé la boîte à outils de conception de batteries à semi-conducteurs « SolidXCell », appliquant les principes de conception qui sont ouverts au public. « SolidXCell » est une plate-forme de conception multi-échelle et multi-paramètres qui permet la conception intuitive et systématique de batteries à semi-conducteurs complexes. Elle est fournie gratuitement aux chercheurs pour une utilisation dans la conception de batteries à semi-conducteurs.

Le Dr Jinsoo Kim du KIER et le professeur Sung-Kyun Jung de l’UNIST, qui ont dirigé la recherche conjointe, ont déclaré : « La présentation des premiers principes de conception universels pour les batteries à semi-conducteurs avec le développement et le partage d’une boîte à outils de conception bénéficiera grandement au domaine de la conception de batteries à semi-conducteurs. Nous espérons que de nombreux chercheurs pourront utiliser ces principes pour concevoir efficacement des batteries à semi-conducteurs, promouvoir des améliorations significatives des performances et surmonter les barrières technologiques actuelles. »

L’équipe de recherche conjointe est en train de mettre en place la « Advanced Battery Engineering Foundry (ABEF) », la première du genre en République de Corée, avec le soutien de l’Institut coréen pour le progrès technologique et de la ville métropolitaine d’Ulsan. Ce centre fournira à l’avenir une infrastructure pour la fabrication, l’évaluation et l’analyse de prototypes de batteries entièrement solides, de batteries au lithium métal et de batteries au lithium-soufre pour les entreprises concernées.