Les batteries solides pourraient révolutionner le stockage de l’énergie, mais leur durabilité et leur efficacité sont encore mal comprises. Une équipe de chercheurs américains a développé un cadre pour concevoir des batteries à l’état solide en tenant compte des contraintes mécaniques.

Les batteries sont soumises à l’érosion de leurs matériaux au fil du temps, en raison des courants électriques qui les traversent. Les influences mécaniques, comme les contraintes et les déformations, affectent également leur trajectoire, bien que leur impact sur l’efficacité et la longévité des batteries ne soit pas encore totalement compris.

L’équipe dirigée par des chercheurs du Laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’énergie (ORNL) a développé un cadre pour concevoir des batteries à l’état solide (SSB) en tenant compte de ces facteurs mécaniques. Leur article, publié dans la revue Science, examine comment ces facteurs modifient les SSB au cours de leur cycle de vie.

«Notre objectif est de souligner l’importance de la mécanique dans les performances des batteries», a commenté Sergiy Kalnaus, scientifique du groupe Multiphysics Modeling and Flows de l’ORNL.

Les défis des électrolytes solides

Les électrolytes solides sont encore au stade précoce de développement en raison des défis associés à ces matériaux novateurs. Les composants des SSB gonflent et se contractent lors de la charge et du transport de masse, ce qui modifie le système.

«Les électrodes se déforment constamment pendant le fonctionnement de la batterie, créant des délamination et des vides aux interfaces avec l’électrolyte solide», explique Sergiy Kalnaus.

Pour résoudre ce problème, certaines techniques permettent d’introduire de petits défauts cristallins dans les électrolytes céramiques, rendant ces matériaux plus ductiles et capables de résister aux contraintes en s’écoulant plutôt qu’en se fissurant.

Optimiser les performances et la longévité des SSB

Pour optimiser les performances et la longévité des SSB, il est nécessaire de concevoir la prochaine génération d’anodes et d’électrolytes solides capables de maintenir des interfaces mécaniquement stables sans fracturer le séparateur d’électrolyte solide.

Par exemple, un électrolyte vitreux appelé lithium phosphoreux oxynitrure (LiPON) a été développé au laboratoire dans les années 1990. Le LiPON est largement utilisé comme électrolyte dans les batteries à couches minces avec une anode en lithium métallique. Ce composant peut résister à de nombreux cycles de charge-décharge sans défaillance, en grande partie grâce à la ductilité du LiPON.

En synthèse

L’équipe de chercheurs de l’ORNL met en lumière un aspect peu étudié des batteries à l’état solide : la compréhension des facteurs qui déterminent leur durée de vie et leur efficacité. Leur travail fournit une feuille de route pour la recherche sur les matériaux des électrolytes solides, encourageant les scientifiques à prendre en compte les mécanismes lors de la conception de nouvelles batteries.

Pour une meilleure compréhension

1. Qu’est-ce qu’une batterie à l’état solide (SSB) ?

Une batterie à l’état solide (SSB) est une batterie qui utilise des électrolytes solides au lieu de liquides pour conduire les ions. Les SSB offrent des avantages potentiels en matière de sécurité et de densité énergétique par rapport aux batteries lithium-ion traditionnelles.

2. Pourquoi les mécanismes sont-ils importants dans les SSB ?

Les mécanismes, tels que les contraintes et les déformations, affectent la durée de vie et l’efficacité des batteries. Comprendre l’impact des mécanismes sur les SSB peut aider à concevoir des batteries plus performantes et durables.

3. Quels sont les défis associés aux électrolytes solides ?

Les électrolytes solides sont encore en cours de développement en raison des défis liés à ces matériaux novateurs. Les composants des SSB gonflent et se contractent lors de la charge et du transport de masse, ce qui modifie le système et peut causer des délamination et des vides aux interfaces avec l’électrolyte solide.

4. Comment peut-on optimiser les performances et la longévité des SSB ?

Pour optimiser les performances et la longévité des SSB, il est nécessaire de concevoir la prochaine génération d’anodes et d’électrolytes solides capables de maintenir des interfaces mécaniquement stables sans fracturer le séparateur d’électrolyte solide.

5. Quel est l’objectif de l’équipe de chercheurs de l’ORNL ?

L’objectif de l’équipe de chercheurs de l’ORNL est de souligner l’importance de la mécanique dans les performances des batteries et de fournir une feuille de route pour la recherche sur les matériaux des électrolytes solides, encourageant les scientifiques à prendre en compte les mécanismes lors de la conception de nouvelles batteries.

Leur article, publié dans la revue Science, examine comment ces facteurs modifient les BSR au cours de leur cycle. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg5998