Des chercheurs de Tokyo dévoilent un conducteur de lithium-ion stable et hautement conducteur.

• Le nouveau matériau présente une conductivité ionique plus élevée que celle des électrolytes solides à base d'oxydes précédemment rapportés.
• Le matériau est stable dans l'air et a une large plage de température de fonctionnement de -10°C à 100°C.
• Cette découverte pourrait conduire au développement de batteries plus sûres et performantes pour une large gamme d'applications, notamment les véhicules électriques, les téléphones mobiles et les dispositifs médicaux.

Des scientifiques de l'Université de Tokyo ont découvert un conducteur de lithium-ion stable et hautement conducteur sous la forme d'un oxyfluorure de type pyrochlore. Cette innovation répond au besoin de électrolytes solides non sulfureux.

Les batteries lithium-ion tout solide offrent une sécurité améliorée et une densité énergétique supérieure par rapport à leurs équivalents à électrolyte liquide, mais font face à des défis tels qu'une conductivité inférieure et un contact électrode-électrolyte solide insuffisant. Les électrolytes solides non sulfureux offrent une conductivité et une stabilité supérieures, ouvrant la voie à des batteries lithium-ion tout solide avancées avec des performances et une sécurité améliorées.

L'étude a été publiée dans la revue Chemistry of Materials. Une équipe de recherche dirigée par le Professeur Kenjiro Fujimoto, le Professeur Akihisa Aimi de l'Université de Tokyo, et le Dr. Shuhei Yoshida de DENSO CORPORATION ont découvert un conducteur Li-ion stable et hautement conducteur sous la forme d'un oxyfluorure de type pyrochlore.

Les batteries lithium-ion (Li-ion) tout solide avec électrolytes solides ne sont pas inflammables et ont une densité énergétique et des nombres de transfert plus élevés que celles avec des électrolytes liquides. Elles devraient prendre une part du marché des batteries lithium-ion à électrolyte liquide conventionnelles, telles que les véhicules électriques.

Cependant, malgré ces avantages, les électrolytes solides ont une conductivité de Li-ion inférieure et posent des défis pour atteindre un contact adéquat entre l'électrode et l'électrolyte solide. Alors que les électrolytes solides à base de sulfure sont conducteurs, ils réagissent à l'humidité pour former du disulfure d'hydrogène toxique. Par conséquent, il est nécessaire de disposer d'électrolytes solides non sulfureux à la fois conducteurs et stables à l'air pour fabriquer des batteries lithium-ion tout solide sûres, performantes et à chargement rapide.

Selon le Prof. Fujimoto, «La création de batteries lithium-ion tout solide a été un rêve de longue date pour de nombreux chercheurs en batteries. Nous avons découvert un électrolyte solide d'oxyde qui est un composant clé des batteries lithium-ion tout solide, alliant haute densité énergétique et sécurité. En plus d'être stable à l'air, le matériau présente une conductivité ionique plus élevée que les électrolytes solides d'oxyde précédemment rapportés.»

L'oxyfluorure de type pyrochlore étudié dans ce travail peut être représenté par Li2-xLa(1+x)/3M2O6F (M = Nb, Ta). Il a fait l'objet d'une analyse structurale et compositionnelle à l'aide de différentes techniques, notamment la diffraction des rayons X, l'analyse de Rietveld, la spectrométrie d'émission optique à plasma à couplage inductif, et la diffraction électronique en mode de zones sélectionnées. En particulier, le Li1.25La0.58Nb2O6F a été mis au point, démontrant une conductivité ionique en vrac de 7,0 mS cm?¹ et une conductivité ionique totale de 3,9 mS cm?¹ à température ambiante.

Elle s'est révélée être supérieure à la conductivité des ions lithium des électrolytes solides d'oxyde connus. L'énergie d'activation de la conduction ionique de ce matériau est extrêmement faible, et la conductivité ionique de ce matériau à basse température est l'une des plus élevées parmi les électrolytes solides connus, y compris les matériaux à base de sulfure. En effet, même à -10° C, le nouveau matériau a la même conductivité que les électrolytes solides à base d'oxyde classiques à température ambiante. De plus, une conductivité a également été vérifiée au-dessus de 100° C, la plage de fonctionnement de cet électrolyte solide étant de -10 °C à 100° C. Les batteries lithium-ion conventionnelles ne peuvent pas être utilisées à des températures inférieures à zéro. Par conséquent, les conditions de fonctionnement des batteries lithium-ion pour les téléphones mobiles couramment utilisés sont de 0° C à 45° C.

Le mécanisme de conduction du Li-ion dans ce matériau a été étudié. Le chemin de conduction de la structure de type pyrochlore couvre les ions F situés dans les tunnels créés par les octaèdres MO6. Le mécanisme de conduction est le mouvement séquentiel des ions Li tout en changeant de liaison avec les ions F. Les ions Li se déplacent vers la position Li la plus proche en passant toujours par des positions métastables. Le La3+ immobile lié à l'ion F inhibe la conduction des ions Li en bloquant le chemin de conduction et en éliminant les positions métastables environnantes.

Contrairement aux batteries lithium-ion actuelles, les batteries tout solide à base d'oxyde ne présentent aucun risque de fuite d'électrolyte en cas de dommage et aucun risque de génération de gaz toxiques comme avec les batteries à base de sulfure. Par conséquent, cette nouvelle innovation est censée conduire à des recherches futures. «Le matériau nouvellement découvert est sûr et présente une conductivité ionique plus élevée que les électrolytes solides à base d'oxyde précédemment rapportés. L'application de ce matériau est prometteuse pour le développement de batteries révolutionnaires pouvant fonctionner dans une large gamme de températures, du froid au chaud,» prévoit le Prof. Fujimoto. «Nous pensons que les performances requises pour l'application des électrolytes solides pour les véhicules électriques sont satisfaites.»

Notamment, le nouveau matériau est hautement stable et ne s'enflammera pas en cas de dommage. Il convient aux avions et à d'autres endroits où la sécurité est cruciale. Il est également adapté aux applications à haute capacité, telles que les véhicules électriques, car il peut être utilisé à des températures élevées et prend en charge une recharge rapide. De plus, il est également un matériau prometteur pour la miniaturisation de batteries, les appareils électroménagers et les dispositifs médicaux.

En résumé, les chercheurs ont non seulement découvert un conducteur Li-ion avec une conductivité élevée et une stabilité à l'air, mais ont également introduit un nouveau type de conducteur superionique avec un oxyfluorure de type pyrochlore. Explorer la structure locale autour du lithium, leurs changements dynamiques pendant la conduction, et leur potentiel en tant qu'électrolytes solides pour les batteries tout solide est un domaine important pour les futures recherches!

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Cette nouvelle a suscité beaucoup d'enthousiasme pour les batteries de haut niveau. Cependant, l'absence d'une certaine forme de coût économique a laissé plusieurs personnes au seuil. La comparaison de cette technologie avec les meilleurs procédés de fabrication actuels en termes de coûts de production n'est pas abordée.

Mais soyez assuré que des personnes se penchent dessus. Cette technologie permet d'obtenir une batterie lithium-ion non inflammable fonctionnant entre environ -11° C et 100° C. L'aspect non combustible revêt une importance plus grande que la plupart des gens ne le supposeront.

Cependant, une batterie renferme une quantité importante d'énergie dans un espace confiné. Les risques éventuels doivent encore être divulgués. Mais Wow!

Cela semble prometteur.

Par Brian Westenhaus via New Energy and Fuel

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