Synthèse à basse température de céramique de lithium pour batteries

Une céramique au lithium pourrait agir comme un électrolyte solide dans une génération de batteries lithium-ion rechargeables plus puissantes et plus rentables. Le défi est de trouver une méthode de production qui fonctionne sans frittage à haute température. Dans la revue Chimie modifiéeune équipe de recherche a maintenant introduit une méthode sans frittage pour la synthèse efficace et à basse température de ces céramiques sous une forme cristalline conductrice.

Deux facteurs dominent le développement des batteries pour véhicules électriques : la puissance, qui détermine l’autonomie du véhicule ; et le coût, qui est critique dans la concurrence avec les moteurs à combustion interne.

Le ministère américain de l’Énergie vise à accélérer la transition des véhicules à essence vers les véhicules électriques et s’est fixé des objectifs ambitieux pour réduire les coûts de production et augmenter la densité énergétique des batteries d’ici 2030. Ces objectifs ne peuvent pas être atteints avec les batteries lithium-ion conventionnelles.

Une approche très prometteuse pour fabriquer des batteries plus petites, plus légères, nettement plus puissantes et plus sûres consiste à utiliser des cellules à semi-conducteurs avec des anodes en lithium métallique au lieu de graphite. Contrairement aux batteries lithium-ion conventionnelles, qui contiennent des électrolytes organiques liquides et utilisent un film polymère pour séparer les compartiments anodique et cathodique, tous les composants d’une batterie à semi-conducteurs sont des solides.

Une fine couche de céramique fonctionne simultanément comme électrolyte solide et séparateur. Il est très efficace contre les courts-circuits dangereux provoqués par la croissance des dendrites de lithium et contre l’emballement thermique. De plus, ils ne contiennent pas de liquides facilement inflammables.

Un électrolyte/séparateur céramique approprié pour les cellules à haute densité énergétique est l’oxyde de lithium Li de type grenat.₇La₃Zr₂Ô_12−j (LLZO). Ce matériau doit être fritté avec la cathode à plus de 1 050 °C pour convertir le LLZO en phase cristalline cubique conductrice rapide du lithium, le densifier suffisamment et le lier fortement à l’électrode.

Cependant, les températures supérieures à 600°C déstabilisent les matériaux cathodiques durables à faible teneur en cobalt ou sans cobalt, tout en augmentant les coûts de production et la consommation d’énergie. De nouvelles méthodes de production plus économiques et durables sont nécessaires.

Une équipe dirigée par Jennifer LM Rupp du MIT, Cambridge, États-Unis, et de la TU Munich, Allemagne, a développé un nouveau processus de synthèse.

Leur nouveau procédé n’est pas basé sur un composé précurseur de céramique, mais sur un composé liquide, qui est directement densifié pour former du LLZO lors d’une synthèse par décomposition séquentielle. Pour optimiser les conditions de cette voie de synthèse, Rupp et son équipe ont analysé la transformation de phase en plusieurs étapes du LLZO d’une forme amorphe à la forme cristalline requise (cLLZO) à l’aide de diverses méthodes (spectroscopie Raman, calorimétrie différentielle dynamique à balayage) et ont produit un temps -diagramme température-transformation.

Sur la base des connaissances acquises sur le processus de cristallisation, ils ont développé une méthode permettant d’obtenir le cLLZO sous la forme d’un film dense et solide après 10 heures de recuit à une température relativement basse de 500 °C, sans frittage. Pour les futures conceptions de batteries, cette méthode permettra d’intégrer l’électrolyte solide LLZO avec des cathodes durables qui pourraient éviter l’utilisation d’éléments socio-économiques critiques tels que le cobalt.