Illustration schématique de l’évolution de la microstructure de la cathode pendant la charge. (a) Cathode composite hétérogène classique et (b) la cathode homogène proposée avec conduction mixte efficace. Crédit : QIBEBT
Des chercheurs de l’Institut de bioénergie et de technologie des bioprocédés de Qingdao (QIBEBT) de l’Académie chinoise des sciences, en collaboration avec des collaborateurs d’institutions internationales de premier plan, ont introduit une stratégie innovante d’homogénéisation de la cathode pour les batteries au lithium entièrement solides (ASLB).
Cette nouvelle approche, détaillée dans leur récente publication dans Énergie naturelle le 31 juillet, améliore considérablement le cycle de vie et la densité énergétique des ASLB, ce qui représente une avancée importante dans la technologie de stockage de l’énergie.
Les batteries ASLB actuelles sont confrontées à des défis en raison des cathodes composites hétérogènes, qui nécessitent des additifs électrochimiquement inactifs pour améliorer la conduction. Ces additifs, bien que nécessaires, réduisent la densité énergétique et la durée de vie des batteries en raison de leur incompatibilité avec les cathodes à oxyde stratifié, qui subissent des changements de volume substantiels pendant le fonctionnement.
Les chercheurs ont développé une solution : une stratégie d’homogénéisation de la cathode utilisant un matériau à contrainte nulle, le Li1,75Ti2(G0,25P0,75S3.8Se0,2)3 (LTG0,25PSSe0,2). Ce matériau présente une excellente conductivité ionique et électronique mixte, garantissant un transport de charge efficace tout au long du processus de (dé)charge sans nécessiter d’additifs conducteurs supplémentaires.
Le LTG0,25PSSe0,2 le matériau présente des performances impressionnantes, notamment une capacité spécifique de 250 mAh g-1 et un changement de volume minimal de seulement 1,2 %. Une cathode homogène entièrement fabriquée en LTG0,25PSSe0,2 permet aux ASLB à température ambiante d’atteindre plus de 20 000 cycles de fonctionnement stable et une densité énergétique élevée de 390 Wh kg−1 au niveau cellulaire.
« Notre stratégie d’homogénéisation de la cathode remet en cause la conception traditionnelle de la cathode hétérogène », a déclaré le Dr Cui Longfei, co-premier auteur de l’étude du Solid Energy System Technology Center (SERGY) de QIBEBT. « En éliminant le besoin d’additifs inactifs, nous améliorons la densité énergétique et prolongeons la durée de vie de la batterie. »
« Cette approche est une véritable révolution pour les ASLB », a déclaré le Dr Zhang Shu, co-premier auteur de l’étude du SERGY. « La combinaison d’une densité énergétique élevée et d’une durée de vie prolongée ouvre de nouvelles possibilités pour l’avenir du stockage d’énergie. »
Le professeur Ju Jiangwei, co-auteur correspondant de l’étude du SERGY, a ajouté : « La stabilité et les performances du matériau sont impressionnantes, ce qui en fait un candidat solide pour les applications commerciales dans les véhicules électriques et les systèmes de stockage d’énergie à grande échelle. »
Cette avancée est appuyée par des tests approfondis et des calculs théoriques. Ces analyses confirment la stabilité électrochimique et mécanique des cathodes homogènes, ne montrant aucune réaction chimique indésirable ni augmentation significative de la résistance après un cyclage prolongé.
Outre les ASLB, d’autres types de batteries, notamment les batteries au sodium à l’état solide, les batteries lithium-ion, les batteries lithium-soufre, les batteries sodium-ion et les piles à combustible, sont également confrontées à des défis liés aux électrodes hétérogènes. Ces systèmes souffrent souvent d’incompatibilités mécanochimiques et électrochimiques, créant des goulots d’étranglement importants et dégradant les performances globales de la batterie.
« Le potentiel de commercialisation des ASLB à haute densité énergétique est désormais plus atteignable », a ajouté le professeur Cui Guanglei, directeur du SERGY. « Notre stratégie universelle de conception de cathodes homogènes multifonctionnelles peut surmonter les obstacles liés à l’énergie, à la puissance et à la durée de vie dans le stockage de l’énergie, ouvrant ainsi la voie à des applications concrètes. »
En abordant les principaux défis des ASLB, cette stratégie pose les bases des innovations futures dans le domaine des technologies de stockage d’énergie. L’équipe prévoit d’explorer plus avant l’évolutivité du LTG0,25PSSe0,2 matériau et son intégration dans des systèmes de batteries pratiques.
Ces travaux représentent une étape importante dans la technologie des batteries et offrent des perspectives prometteuses pour les avancées futures. L’approche innovante de l’équipe devrait influencer la recherche et le développement futurs dans le domaine du stockage d’énergie, en fournissant une base solide pour la prochaine génération de batteries hautes performances.
Plus d’information:
Une stratégie d’homogénéisation de la cathode pour permettre des batteries au lithium entièrement solides à longue durée de vie, Énergie naturelle (2024). DOI : 10.1038/s41560-024-01596-6
Fourni par l’Académie chinoise des sciences
Citation: Des chercheurs innovent en matière de nouvelles approches pour améliorer les batteries au lithium entièrement solides (31 juillet 2024) récupéré le 31 juillet 2024 à partir de
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