L’avenir des batteries solides : le chlorure est-il la clé ?

Une équipe de chercheurs coréens a fait une annonce importante dans le domaine des batteries solides de nouvelle génération. Leurs nouvelles découvertes pourraient permettre la création de batteries basées sur un nouvel électrolyte solide à base de chlorure présentant une conductivité ionique exceptionnelle.

Le défi des batteries actuelles

Un problème majeur avec 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 non combustibles est d’une importance capitale pour faire progresser la technologie des batteries solides.

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 du passage mondial vers un transport durable, la recherche sur les composants essentiels des batteries secondaires, en particulier les batteries solides, a pris un élan significatif.

La nécessité de nouveaux matériaux

Pour rendre les batteries solides pratiques pour une utilisation quotidienne, il est crucial de développer des matériaux à haute conductivité ionique, à stabilité chimique et électrochimique robuste et à flexibilité mécanique. Bien que des recherches antérieures aient réussi à produire des électrolytes solides à base de sulfure et d’oxyde à haute conductivité ionique, aucun de ces matériaux n’a pleinement satisfait 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 sont les candidates les plus probables pour les batteries solides. Cependant, ces espoirs se sont rapidement évanouis, car les batteries au chlorure étaient considérées comme impraticables en raison de leur forte dépendance à l’égard de métaux rares coûteux, notamment l’yttrium, le scandium et les éléments de lanthanides, en tant que composants secondaires.

Une nouvelle approche

Pour répondre à ces préoccupations, une équipe de chercheurs dirigés par le professeur KANG Kisuk du Centre de recherche sur les nanoparticules au sein de l’Institut des sciences fondamentales ( IBS ) a examiné la distribution des ions métalliques dans les électrolytes au chlorure. Ils pensaient que la raison pour laquelle les électrolytes au chlorure trigonaux peuvent atteindre une faible conductivité ionique est 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 yttrium, un composé courant de chlorure de métal lithium. Lorsque les ions métalliques étaient positionnés près du chemin des ions lithium, les forces électrostatiques provoquaient une obstruction dans leur mouvement. À l’inverse, si l’occupation des ions métalliques était trop faible, le chemin pour les ions lithium devenait trop étroit, entravant leur mobilité.

S’appuyant sur ces informations, l’équipe de recherche a introduit des stratégies pour concevoir des électrolytes de manière à atténuer ces facteurs contradictoires, aboutissant 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 solide au lithium-métal-chlorure basée sur le zirconium, qui est beaucoup moins cher que les variantes qui utilisent des métaux rares.

En synthèse

C’était la première fois que l’importance de l’arrangement 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 les recherches du Centre IBS ouvrent la voie au développement de divers électrolytes solides à base de chlorure et stimulent davantage la commercialisation des batteries solides, promettant une amélioration du coût économique et de la sécurité dans le stockage de l’énergie.

L’auteur correspondant, KANG Kisuk, commente : « Cet électrolyte solide à base de chlorure nouvellement découvert est prêt à transcender les limites des électrolytes solides conventionnels à base de sulfure et d’oxyde, nous rapprochant d’un pas de l’adoption généralisée des batteries solides. »

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’une batterie solide ?

Une batterie solide est une batterie qui utilise un électrolyte solide au lieu d’un électrolyte liquide. Cela permet d’éliminer les risques d’inflammabilité et d’explosion associés aux électrolytes liquides.

Qu’est-ce que la conductivité ionique ?

La conductivité ionique est la capacité d’un matériau à permettre le passage des ions. Dans le contexte des batteries, une conductivité ionique élevée est souhaitable car elle permet une meilleure performance de la batterie.

Pourquoi les électrolytes à base de chlorure sont-ils importants ?

Les électrolytes à base de chlorure sont connus pour leur conductivité ionique supérieure, leur flexibilité mécanique et leur stabilité à haute tension. Ces propriétés les rendent attrayants pour l’utilisation dans les batteries solides.

Quels sont les défis associés aux batteries à base de chlorure ?

Les batteries à base de chlorure ont été considérées comme impraticables en raison de leur forte dépendance à l’égard de métaux rares coûteux, notamment l’yttrium, le scandium et les éléments de lanthanides, en tant que composants secondaires.

Quelle est la solution proposée par l’équipe de recherche de l’IBS ?

L’équipe de recherche de l’IBS a proposé une nouvelle approche pour concevoir des électrolytes de manière à atténuer les facteurs contradictoires, aboutissant finalement au développement réussi d’un électrolyte solide à haute conductivité ionique.

Article : « Design of a trigonal halide superionic conductor by regulating cation order-disorder » – DOI: 10.1126/science.adg6591

Source : Institut des sciences fondamentales (IBS)