Des chercheurs japonais développent deux nouveaux conducteurs superioniques pour batteries lithium-ion à électrolyte solide

Des chercheurs de l'Institut de Technologie de Tokyo, en collaboration avec des collègues de Toyota Motor Corporation, Tokyo Institute of Technology et High Energy Accelerator Research Organisation Japan  (KEK), ont conçu et testé de nouvelles batteries à électrolyte solide avec des résultats très prometteurs. 

Les scientifiques de l'équipe de Yuki Kato ont synthétisé deux matériaux à cristaux très prometteurs comme conducteurs «superioniques» pour une utilisation comme électrolyte solide pour les batteries Li-ion. Les matériaux, rapportés dans un article dans la revue Nature Energy , disposent d' une exceptionnelle conductivité. 

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Deux cellules basées sur les nouveaux électrolytes solides ont très bien performé dans les essais comparativement à des batteries lithium-ion courantes. Les cellules sont restées stables et fonctionnent dans une échelle de température comprise entre -30 et 100 ° C. Ils présentaient de très faibles niveaux de résistance interne, une énergie élevée et des densités de puissance élevées. Leurs propriétés permettraient aux cellules d'être empilées de façon rapprochée, sans interférence.

Les cellules supportent une charge ultrarapide, ont conservé leur charge pendant de longues périodes et semblait avoir une longue durée de vie avec une excellente capacité de cyclage (après plus de 500 cycles complets,  les cellules conservent environ 75% de leur capacité de décharge initiale).

La plupart des batteries traditionnelles reposent sur le flux d'ions à travers un électrolyte liquide entre deux électrodes. Cependant, les batteries incorporant un électrolyte liquide sont sujettes à des problèmes, y compris la rétention et des difficultés à fonctionner à haute et basse température. Les conceptions antérieures pour électrolytes solides se sont révélées prometteuses, mais les matériaux était onéreux et certaines ont présenté des problèmes avec la stabilité électrochimique.

Par rapport aux batteries lithium-ion avec des électrolytes liquides, les batteries à électrolyte solide offrent une option attrayante en raison de leur potentiel dans l'amélioration de la sécurité et de réaliser à la fois une puissance élevée et des densités d'énergie élevées. Malgré d'importants efforts de recherche, le développement de batteries à électrolyte solide reste en deçà des attentes, en grande partie en raison du manque de candidats de matériaux appropriés pour l'électrolyte, nécessaire pour des applications pratiques. 
                                                        - Yuki Kato

Graphiques de performance des nouvelles cellules à électrolyte solide et des cellules li-ion

Stabilité électrochimique de la famille des nouvelles cellules

2 types de cellules
​Les deux matériaux superioniques développés par l'équipe ont montré une conductivité ionique extrêmement élevée et une grande stabilité. Les chercheurs ont utilisé les deux nouveaux électrolytes solides pour créer deux types de cellules de batterie; une cellule à haute tension et une cellule conçue pour fonctionner sous de grands courants. Les deux types de cellules à électrolyte solide présentaient des performances supérieures par rapport aux batteries au lithium-ion. L'équipe de Yuki Kato a constaté que les cellules fournissent une densité de puissance élevée, avec des capacités de recharge ultrarapides et une durée de vie plus longue que les types de piles existantes.
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Bien que la technologie nécessite la poursuite du développement avant qu'elle ne soit disponible dans le commerce, ces résultats indiquent que les batteries à électrolyte solide pourraient bientôt fournir un sérieux coup de pouce nécessaire aux applications nécessitant un stockage d'énergie stable et de longue durée de vie, tels que les véhicules électriques.

Pistes d'amélioration
L'ajout d'électrodes à haute énergie dans les cellules à l'état solide pourrait améliorer encore davantage la puissance des batteries. En outre, la technologie de traitement permettant l'empilage des batteries doit être complétée avant que ces configurations puissent être entièrement testées. Yuki Kato et son équipe espèrent que leurs nouveaux matériaux ouvriront la voie pour les batteries à électrolyte solide pour de multiples applications, y compris les véhicules électriques à longue distance dans un proche avenir.

Verrous
Selon les informations publiées, il semble que l'équipe de scientifiques est parvenue à vaincre les verrous qui subsistaient dans les technologies d'électrolyte solide, soit la plage de température d'opération (-30°C à +100°C) ainsi que la rapidité de charge (18C).

Cette percée scientifique pourrait nous rapprocher des batteries haute densité (HD) permettant une grande autonomie  aux véhicules électriques tout en permettant des recharges ultra-rapides par des températures hivernales.

Sources : Greencarcongress , Tokyo Tech News , Nature energy , AVÉQ
Contribution : Richard Lemelin , directeur régional AVÉQ - Capitale-Nationale