Nouvelle méthode pour des batteries solides stables et durables

Avec un procédé de fabrication innovant pour la batterie du futur : les chercheurs du PSI montrent dans une étude récente comment produire des batteries à l'état solide de manière économique, efficace et durable. L'image montre une cellule de test, dans laquelle la batterie à l'état solide développée au PSI est fabriquée et testée. © Paul Scherrer Institut PSI/Mahir Dzambegovic / Un procédé de fabrication innovant ouvre la voie à la batterie du futur : dans leur dernière étude, les chercheurs du PSI démontrent une méthode rentable et efficace pour produire des batteries à l'état solide avec une longue durée de vie. L'image montre une cellule de test utilisée pour fabriquer et tester la batterie à l'état solide développée au PSI. © Paul Scherrer Institut PSI/Mahir Dzambegovic

Liens : Électrolyte solide poreux, à travers lequel les dendrites de lithium (gris) peuvent pénétrer jusqu'à la surface du lithium (argent); la frontière n'est protégée que par une couche limite naturelle (rose). À droite : Électrolyte solide densément sintré fabriqué à l'Institut Paul Scherrer PSI avec un revêtement stabilisateur en fluorure de lithium (bleu), qui empêche la pénétration des dendrites et protège la surface du lithium. © Institut Paul Scherrer PSI/Jinsong Zhang / À gauche : Électrolyte solide poreux à travers lequel les dendrites de lithium (gris) peuvent pénétrer jusqu'à la surface du lithium (argent); l'interface est protégée uniquement par une couche limite naturelle (rose). À droite : Électrolyte solide densément sintré produit à l'Institut Paul Scherrer PSI avec un revêtement stabilisateur en fluorure de lithium (bleu) qui empêche la pénétration des dendrites et protège la surface du lithium. © Institut Paul Scherrer PSI/Jinsong Zhang

Jinsong Zhang et Mario El Kazzi (de gauche à droite) avec une cellule de test de la batterie à l’état solide développée à l’Institut Paul Scherrer PSI. Les deux chercheurs ont mis au point une méthode qui combine un frittage doux avec un revêtement ultrafin en fluorure de lithium, permettant ainsi la fabrication d’électrolytes solides particulièrement stables. © Institut Paul Scherrer PSI/Mahir Dzambegovic / Jinsong Zhang (à gauche) et Mario El Kazzi avec une cellule de test de la batterie à l’état solide développée à l’Institut Paul Scherrer PSI. Les deux chercheurs ont élaboré un procédé qui associe un frittage doux à un revêtement ultrafin en fluorure de lithium, permettant la production d’électrolytes solides particulièrement stables. © Institut Paul Scherrer PSI/Mahir Dzambegovic

Les chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI ont réussi une avancée dans la voie de l'application pratique des batteries solides en lithium métal – la prochaine génération de batteries qui stockent plus d'énergie, sont plus sûres et se rechargent plus rapidement que les batteries lithium-ion classiques.

Les batteries solides sont considérées comme une solution prometteuse pour la mobilité électrique, l'électronique mobile et le stockage d'énergie stationnaire – notamment parce qu'elles ne nécessitent pas d'électrolytes liquides inflammables et sont donc fondamentalement plus sûres que les batteries lithium-ion traditionnelles.

Cependant, deux problèmes centraux empêchent leur commercialisation : d'une part, la formation de dendrites de lithium à l'anode reste un point critique – de minuscules structures métalliques en forme d'aiguilles, qui traversent l'électrolyte solide conducteur d'ions lithium entre les électrodes, se propagent vers la cathode et provoquent finalement des courts-circuits internes. D'autre part, une instabilité électrochimique à la frontière entre l'anode en métal de lithium et l'électrolyte solide compromet la performance et la fiabilité à long terme de la batterie.

Pour surmonter ces deux obstacles, l'équipe de Mario El Kazzi, chef du groupe Matériaux et Diagnostic des batteries à l'Institut Paul Scherrer PSI, a développé une nouvelle méthode de fabrication : « Nous avons combiné deux approches qui, conjointement, compactent l'électrolyte et stabilisent la frontière avec le lithium », explique le scientifique. Leur résultat est rapporté dans la revue scientifique Advanced Science.

Qu'est-ce qu'une batterie solide ?

Les électrolytes sont des composants centraux dans les batteries rechargeables, car ils permettent le flux d'ions entre l'anode et la cathode. Les batteries solides possèdent, contrairement aux batteries lithium-ion classiques, un électrolyte solide. Cela leur confère un double avantage : d'une part, elles ne contiennent pas de composants liquides inflammables – leur fonctionnement est donc nettement plus sûr. D'autre part, les batteries solides avec un métal de lithium fin comme anode promettent des densités d'énergie plus élevées. Cela pourrait permettre aux voitures électriques d'atteindre des autonomies nettement plus importantes à l'avenir.

Le problème de la compaction

Au centre de l'étude du PSI se trouve le type d'argyrodite Li₆PS₅Cl (LPSCl), un électrolyte solide à base de sulfure composé de lithium, phosphore et soufre. Ce minéral présente une haute conductivité en ions lithium, ce qui permet un transport rapide des ions à l'intérieur de la batterie – une condition essentielle pour des performances élevées et des processus de charge efficaces. Cela fait des électrolytes à base d'argyrodite des candidats prometteurs pour les batteries solides. Cependant, leur mise en œuvre a jusqu'ici échoué en raison de la difficulté à compacter suffisamment le matériau pour éviter la formation d'espaces vides où pourraient s'infiltrer les dendrites de lithium.

Pour compacter l'électrolyte solide, les groupes de recherche ont jusqu'à présent utilisé deux approches : soit ils pressaient le matériau à température ambiante sous une pression très élevée, soit ils utilisaient des procédés de frittage à chaud, combinant pression et températures supérieures à 400 degrés Celsius. Lors de ce dernier procédé, appelé frittage classique, les particules sont fusionnées en une structure plus dense par application de chaleur et de pression.

Les deux méthodes ont cependant entraîné des effets secondaires indésirables : le pressage à température ambiante est insuffisant, car il conduit à une microstructure poreuse et à une croissance excessive des grains. La transformation à très haute température comporte le risque de décomposition de l'électrolyte solide. Pour obtenir un électrolyte robuste et une interface stable, les chercheurs du PSI ont donc dû envisager une nouvelle approche.

Le truc de la température

Pour compacter l'argyrodite en un électrolyte homogène, El Kazzi et son équipe ont pris en compte la température, mais de manière plus prudente : au lieu du procédé de frittage classique, ils ont opté pour une méthode plus douce, où le minéral est pressé sous une pression modérée à une température d'environ 80 degrés Celsius. Ce frittage doux a permis de réussir : la chaleur modérée et la pression appliquée ont permis aux particules de s'organiser comme souhaité, sans altérer la stabilité chimique du matériau. Les particules du minéral ont formé des liaisons étroites, les zones poreuses sont devenues plus compactes et de petites cavités se sont refermées. Le résultat est une microstructure compacte et dense, résistante à l'infiltration de dendrites de lithium. Sous cette forme, l'électrolyte solide est déjà parfaitement adapté au transport rapide des ions lithium.

Le seul frittage doux ne suffisait cependant pas. Pour fonctionner de manière fiable à de courants élevés, comme lors de charges et décharges rapides, la cellule à électrolyte solide a nécessité une autre modification. Une couche de 65 nanomètres d'épaisseur de fluorure de lithium (LiF) a été vaporisée sous vide et uniformément déposée comme un film ultramince sur la surface en lithium – cette couche sert de couche de passivation à la frontière entre l'anode et l'électrolyte solide.

Cette couche intermédiaire remplit une double fonction : d'une part, elle empêche la décomposition électrochimique de l'électrolyte solide au contact du lithium, évitant ainsi la formation de lithium « mort » inactif. D'autre part, elle agit comme une barrière physique empêchant l'infiltration des dendrites de lithium dans l'électrolyte solide.

Meilleurs résultats après 1500 cycles

Lors d'expériences en laboratoire avec des piles bouton, la batterie a montré des performances exceptionnelles dans des conditions exigeantes. « Sa stabilité en cycle à haute tension était remarquable », indique Jinsong Zhang, doctorant et principal auteur de l'étude. Après 1500 cycles de charge et décharge, la cellule conservait encore environ 75 % de sa capacité initiale. Autrement dit, trois quarts des ions lithium avaient toujours migré de la cathode vers l'anode. « Un résultat exceptionnel. Ces valeurs figurent parmi les meilleures jamais rapportées. » Zhang voit ainsi de bonnes chances pour que les batteries solides dépassent bientôt les batteries lithium-ion classiques à électrolyte liquide en termes de densité d'énergie et de durabilité.

El Kazzi et son équipe montrent ainsi pour la première fois que la combinaison d'un frittage doux de l'électrolyte solide et d'une fine couche de passivation sur l'anode en lithium permet de supprimer efficacement la formation de dendrites et l'instabilité des interfaces – deux des défis les plus tenaces des batteries solides. Cette solution combinée représente une avancée importante pour la recherche sur les batteries solides – d'autant plus qu'elle présente des avantages écologiques et économiques : grâce à des températures de traitement basses, le processus consomme moins d'énergie et réduit les coûts. « Notre approche est une solution pratique pour la fabrication industrielle de batteries solides à base d'argyrodite », explique El Kazzi. « Il ne reste plus qu'à effectuer quelques ajustements supplémentaires – et nous pourrons commencer la production. »