De nouvelles conceptions d’électrolytes solides pourraient bientôt révolutionner l’industrie des batteries

Des chercheurs dirigés par le professeur Kang Kisuk du Centre de recherche sur les nanoparticules de l’Institut des sciences fondamentales (IBS) ont annoncé une avancée majeure dans le domaine des batteries à semi-conducteurs de nouvelle génération. On pense que leurs nouvelles découvertes permettront la création de batteries basées sur un nouvel électrolyte solide à base de chlorure présentant une conductivité ionique exceptionnelle.

Une préoccupation pressante concernant les batteries commerciales actuelles est leur dépendance aux électrolytes liquides, ce qui entraîne des risques d’inflammabilité et d’explosion. Par conséquent, le développement d’électrolytes solides incombustibles est d’une importance capitale pour faire progresser la technologie des batteries à semi-conducteurs.

Alors que le monde se prépare à réglementer les véhicules à moteur à combustion interne et à étendre l’utilisation des véhicules électriques dans le cadre de la transition mondiale en cours vers des transports durables, la recherche sur les composants essentiels des batteries secondaires, en particulier les batteries à semi-conducteurs, a pris un essor considérable.

Pour rendre les batteries à semi-conducteurs pratiques pour un usage quotidien, il est crucial de développer des matériaux présentant une conductivité ionique élevée, une stabilité chimique et électrochimique robuste et une flexibilité mécanique. Alors que des recherches antérieures avaient abouti à des électrolytes solides à base de sulfures et d’oxydes dotés d’une conductivité ionique élevée, aucun de ces matériaux ne répondait pleinement à toutes ces exigences essentielles.

Dans le passé, les scientifiques ont également exploré les électrolytes solides à base de chlorure, connus pour leur conductivité ionique supérieure, leur flexibilité mécanique et leur stabilité à haute tension. Ces propriétés ont amené certains à spéculer que les batteries à base de chlorure seraient les candidates les plus probables pour les batteries à semi-conducteurs. Cependant, ces espoirs se sont rapidement éteints, car les batteries au chlorure ont été considérées comme peu pratiques en raison de leur forte dépendance à l’égard de métaux de terres rares coûteux, notamment l’yttrium, le scandium et les lanthanides, comme composants secondaires.

Pour répondre à ces préoccupations, l’équipe de recherche de l’IBS a examiné la distribution des ions métalliques dans les électrolytes chlorure. Ils pensaient que la raison pour laquelle les électrolytes chlorure trigonaux pouvaient atteindre une faible conductivité ionique était basée sur la variation des arrangements d’ions métalliques au sein de la structure.

Ils ont d’abord testé cette théorie sur le chlorure de lithium et d’yttrium, un composé courant de chlorure métallique de lithium. Lorsque les ions métalliques étaient positionnés à proximité du trajet des ions lithium, les forces électrostatiques provoquaient une obstruction à leur mouvement. À l’inverse, si l’occupation des ions métalliques était trop faible, le chemin des ions lithium devenait trop étroit, ce qui entravait leur mobilité.

En s’appuyant sur ces connaissances, l’équipe de recherche a introduit des stratégies pour concevoir des électrolytes de manière à atténuer ces facteurs conflictuels, conduisant finalement au développement réussi d’un électrolyte solide à haute conductivité ionique. Le groupe est allé plus loin en démontrant avec succès cette stratégie en créant une batterie à l’état solide au lithium-chlorure métallique à base de zirconium, bien moins chère que les variantes utilisant des métaux des terres rares.

C’était le premier cas où l’importance de la disposition des ions métalliques sur la conductivité ionique d’un matériau était démontrée.

Cette recherche met en lumière le rôle souvent négligé de la distribution des ions métalliques dans la conductivité ionique des électrolytes solides à base de chlorure. On s’attend à ce que la recherche du Centre IBS ouvre la voie au développement de divers électrolytes solides à base de chlorure et stimule davantage la commercialisation de batteries à l’état solide, promettant une meilleure accessibilité et une meilleure sécurité du stockage de l’énergie.

L’auteur correspondant Kang Kisuk déclare : « Cet électrolyte solide à base de chlorure récemment découvert est sur le point de transcender les limites des électrolytes solides conventionnels à base de sulfure et d’oxyde, nous rapprochant ainsi de l’adoption généralisée des batteries à semi-conducteurs. »

L’article est publié dans la revue Science.