Une équipe dirigée par Jennifer LM Rupp du MIT, Cambridge, États-Unis, et de la TU Munich, Allemagne, a développé un nouveau procédé de synthèse pour produire des batteries lithium-ion rechargeables dans lesquelles le métal est enveloppé dans un matériau céramique appliqué à basse température, prolongeant ainsi la durée de vie des batteries. sa durée de vie et surtout sa sécurité. Les résultats des recherches de l'équipe sont publiés dans la revue Angewandte Chemie .
Une céramique au lithium pourrait servir d’électrolyte solide de nouvelle génération, plus puissant et plus économique, pour les batteries lithium-ion rechargeables. Le défi est de trouver une méthode de production qui fonctionne sans frittage de la céramique à haute température. L’équipe a maintenant introduit une méthode sans frittage pour la synthèse efficace à basse température de ces céramiques sous une forme cristalline conductrice.
Deux facteurs dominent le développement des batteries pour véhicules électriques : la puissance, qui détermine l'autonomie du véhicule ; et les coûts, qui sont fondamentaux pour concurrencer les moteurs à combustion interne. Le ministère américain de l'Énergie vise à accélérer la transition des véhicules à essence vers les véhicules électriques et s'est fixé des objectifs ambitieux pour réduire les coûts de production et augmenter la densité énergétique des batteries d'ici 2030. Ces objectifs ne peuvent pas être atteints avec les batteries lithium-ion traditionnelles.
Une approche très prometteuse pour fabriquer des batteries plus petites, plus légères, nettement plus puissantes et plus sûres consiste à utiliser des cellules à semi-conducteurs avec des anodes en lithium métallique au lieu de graphite. Contrairement aux batteries lithium-ion traditionnelles, qui contiennent des électrolytes organiques liquides et utilisent un film polymère pour séparer les compartiments anodique et cathodique, tous les composants d'une batterie à semi-conducteurs sont solides. Une fine couche de céramique fonctionne à la fois comme électrolyte solide et comme séparateur. Il est très efficace contre les courts-circuits dangereux provoqués par la croissance des dendrites de lithium et contre l'instabilité thermique. De plus, ils ne contiennent pas de liquides facilement inflammables.
Un électrolyte/séparateur céramique approprié pour les cellules à haute densité énergétique est l'oxyde de lithium de type grenat Li7La3Zr2O12−d (LLZO). Ce matériau doit être fritté avec la cathode à une température supérieure à 1 050 °C pour convertir le LLZO en phase cristalline cubique à conduction rapide du lithium, le densifier suffisamment et le lier fortement à l'électrode. Cependant, les températures supérieures à 600°C déstabilisent les matériaux cathodiques durables à faible teneur en cobalt ou sans cobalt, tout en augmentant les coûts de production et la consommation d'énergie. De nouvelles méthodes de production, moins coûteuses et plus durables, sont nécessaires.
Le nouveau procédé de l'équipe n'est pas basé sur un composé précurseur de céramique, mais sur un composé liquide, qui est directement densifié pour former du LLZO lors d'une synthèse par décomposition séquentielle. Pour optimiser les conditions de cette voie de synthèse, Rupp et son équipe ont analysé la transformation de phase en plusieurs étapes du LLZO d'une forme amorphe à la forme cristalline requise (cLLZO) à l'aide de diverses méthodes (spectroscopie Raman, calorimétrie différentielle dynamique à balayage) et ont produit un diagramme de transformation temps-température.
Sur la base des connaissances acquises lors du processus de cristallisation, ils ont développé une méthode permettant d'obtenir le cLLZO sous la forme d'un film dense et solide après 10 heures de recuit à une température relativement basse de 500 °C, sans frittage. Pour les futures conceptions de batteries, cette méthode permettra l’intégration de l’électrolyte solide LLZO avec des cathodes durables qui pourraient éviter l’utilisation d’éléments socio-économiquement critiques tels que le cobalt.
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L'article Le lithium et la céramique promettent des batteries durables et plus sûres provient de Scénarios économiques .
Cet article est une traduction automatique de la langue italienne d’un article publié sur le site Scenari Economici à l’URL https://scenarieconomici.it/litio-e-ceramica-promettono-batterie-a-lunga-durata-e-piu-sicure/ le Wed, 25 Oct 2023 05:30:58 +0000.