Nouveau procédé visant à garantir la stabilité et la durabilité des batteries à semi-conducteurs

Les batteries à électrolyte solide représentent une option innovante pour la mobilité électrique, l’électronique mobile et le stockage stationnaire d’énergie. L’absence d’électrolytes liquides inflammables confère à ces systèmes une sécurité accrue par rapport aux batteries lithium-ion traditionnelles.  

Cependant, deux problèmes majeurs font obstacle à leur commercialisation : d'une part, la formation de dendrites de lithium sur l'anode reste un point critique : de minuscules structures métalliques en forme d'aiguilles peuvent pénétrer l'électrolyte solide entre les électrodes, se propager vers la cathode et finalement provoquer des courts-circuits internes. D'autre part, il existe une instabilité électrochimique à l'interface entre l'anode en lithium métallique et l'électrolyte solide. Cela nuit à long terme aux performances et à la fiabilité de la batterie.

Afin de surmonter ces deux obstacles, les chercheurs dirigés par Mario El Kazzi, responsable du groupe Matériaux de batterie et diagnostic au PSI, ont mis au point un nouveau procédé de fabrication : « Nous avons combiné deux approches qui, ensemble, densifient l'électrolyte et stabilisent l'interface avec le lithium », souligne le scientifique. L'équipe rend compte de ses résultats dans la revue scientifique Advanced Science.

L'étude du PSI se concentre sur l'argyrodite de type Li₆PS₅Cl (LPSCl), un électrolyte solide à base de sulfure composé de lithium, de phosphore et de soufre. Ce minéral présente une conductivité ionique élevée, ce qui permet un transport rapide des ions à l'intérieur de la batterie, une condition essentielle pour obtenir des performances élevées et des processus de charge efficaces. Cela fait des électrolytes à base d'argyrodite des candidats prometteurs pour les batteries à l'état solide. Cependant, la mise en œuvre a jusqu'à présent échoué en raison de l'impossibilité de compacter suffisamment le matériau pour éviter la formation de cavités dans lesquelles des dendrites de lithium pourraient pénétrer.

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

Cependant, ces deux méthodes ont 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. Le traitement à très haute température comporte quant à lui le risque de décomposition de l'électrolyte solide. Afin d'obtenir un électrolyte robuste et une interface stable, les chercheurs du PSI ont donc dû adopter une nouvelle approche.

Afin de compacter l'argyrodite en un électrolyte homogène, El Kazzi et son équipe ont pris en compte le facteur température, mais de manière plus prudente : au lieu du procédé de frittage classique, ils ont choisi une approche plus douce, dans laquelle le minéral a été pressé sous une pression modérée et à une température modérée d'environ 80 degrés Celsius seulement. Ce frittage doux a été couronné de succès : la chaleur modérée et la pression exercée ont permis aux particules de s'agencer comme souhaité sans modifier la stabilité chimique du matériau. Les particules du minéral ont formé des liaisons étroites entre elles, les zones poreuses sont devenues plus compactes et les petites cavités se sont refermées. Le résultat est une microstructure compacte et dense qui résiste à la pénétration des dendrites de lithium. Sous cette forme, l'électrolyte solide est déjà parfaitement adapté au transport rapide des ions lithium.

Mais le frittage doux seul ne suffisait pas. Afin de fonctionner de manière fiable, même à des densités de courant élevées, telles que celles qui se produisent lors d'une charge et d'une décharge rapides, la cellule à l'état solide avait besoin d'une modification supplémentaire. À cette fin, un revêtement mince de 65 nanomètres de fluorure de lithium (LiF) a été évaporé sous vide et appliqué uniformément sous forme de film ultra-mince sur la surface du lithium – il sert de couche de passivation à l'interface 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 et supprime ainsi la formation de lithium « mort », inactif. D'autre part, elle agit comme une barrière physique qui empêche les dendrites de lithium de pénétrer dans l'électrolyte solide.

Lors d'essais en laboratoire avec des piles boutons, la batterie a montré des performances exceptionnelles dans des conditions difficiles. « Sa stabilité cyclique à haute tension était remarquable », déclare Jinsong Zhang, doctorant et auteur principal de l'étude. Après 1500 cycles de charge et de décharge, la cellule avait conservé environ 75% de sa capacité initiale. Les trois quarts des ions lithium migraient donc toujours de la cathode vers l'anode. « Un résultat exceptionnel. Ces valeurs comptent parmi les meilleures jamais enregistrées. » Zhang estime donc que les batteries à électrolyte solide ont de bonnes chances de surpasser bientôt les batteries lithium-ion classiques à électrolyte liquide en termes de densité énergétique et de durabilité.

El Kazzi et son équipe démontrent 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 au lithium supprime efficacement à la fois la formation de dendrites et l'instabilité de l'interface, deux des défis les plus persistants pour les batteries à électrolyte solide. Cette solution combinée marque une avancée importante pour la recherche sur les batteries à électrolyte solide, notamment parce qu'elle présente des avantages écologiques et économiques : grâce aux basses températures, le processus permet d'économiser de l'énergie et donc de réduire les coûts. « Notre approche est une solution pratique pour la production industrielle de batteries à électrolyte solide à base d'argyrodite », relève El Kazzi. « Encore quelques ajustements supplémentaires, et nous pourrons nous lancer ! »

Publication originale (en anglais)