Des chercheurs de la Western University (Canada) ont présenté un nouvel électrolyte solide en β-Li3N enrichi en vacances, des emplacements atomiques laissés vacants, qui leur a permis la réalisation de prototypes à grande durée de vie de cellules de batteries dotées d’anodes en lithium métallique. Ces résultats ont été publiés en fin d’année dernière dans Nature nanotechnology.
Le secteur des batteries lithium-ion est aujourd’hui engagé dans une course à la réalisation de batteries tout-solide. Celles-ci sont composées d’un électrolyte solide remplaçant l’électrolyte liquide organique des batteries lithium-ion, responsable de l’emballement thermique pouvant causer l’explosion des batteries. L’utilisation d’électrolytes solides ouvre aussi la voie à l’usage d'une anode de lithium métallique, synonyme de très haute densité énergétique mais propice à la formation de dendrites, ces fameuses excroissances de lithium métallique pouvant causer des courts-circuits dévastateurs.
Tout l’enjeu pour aboutir à une batterie à anode en lithium métallique est donc de trouver un électrolyte solide qui combine une haute conductivité ionique (pour assurer un bon passage des ions lithium d’une électrode à l’autre), une faible conductivité électronique, une stabilité chimique à l’interface avec l’anode de lithium métallique et une résistance à la formation de dendrites. Parmi les trois familles de matériaux principalement étudiées aujourd’hui, halogénures, sulfures et oxydes, aucun électrolyte ne réunit toutes les qualités nécessaires.
82% de la capacité après 5000 cyles de charge-décharge
Les nitrures tels Li3N constituent une quatrième piste prometteuse, que les chercheurs ont exploré plus avant en fabricant une version de β-Li3N enrichie en vacances. Par une technique de broyage à haute pression de β-Li3N commercial, la concentration de vacances sur la totalité des sites de lithium est ainsi passée de 0,3 % à 5,4 %. Ce qui a eu pour conséquence de multiplier par 100 la conductivité ionique de leur matériau, qui est ainsi passée de 2,05.10-5 S.cm à 2,14.10-3 S.cm.
Deux prototypes de cellules de batteries comprenant ce nouvel électrolyte, une anode au lithium métallique, des composés halogénés de revêtement de l’anode, et une cathode - au LiCoO2 (LCO) ou au LiNi0,83Co0,11Mn0,06O2 (NCM83) - ont ensuite été testés par les chercheurs. D’après les résultats de l’étude, ces deux cellules présentent une forte stabilité de cycles charge-décharge pour une charge électrique de 1 C, avec des taux de rétention de capacité dépassant 82 % pour la cellule au LCO après 5000 cycles et 92,5 % pour la cellule au NCM83 après 3500 cycles.
