Des scientifiques de l’Institut Paul Scherrer PSI ont réussi une percée décisive vers une application pratique des batteries tout solide lithium-métal. Ces accumulateurs de courant de prochaine génération stockent plus d’énergie et se rechargent de manière plus sûre et plus rapide que les batteries lithium-ions conventionnelles.

Les batteries tout solide sont considérées comme une solution prometteuse pour l’électromobilité, l’électronique mobile et le stockage énergétique stationnaire, entre autres parce qu’elles n’ont pas besoin d’électrolytes inflammables, ce qui les rend fondamentalement plus sûres que les batteries lithium-ions conventionnelles.

Toutefois, deux problèmes font obstacle à leur commercialisation: d’un côté, la formation à l’anode de dendrites de lithium reste un point critique. Ces minuscules structures métalliques en forme d’aiguilles traversent l’électrolyte solide conducteur d’ions de lithium entre les électrodes et se frayent un passage jusqu’à la cathode, ce qui provoque des courts-circuits. D’un autre côté, il existe une instabilité électrochimique à l’interface entre l’anode lithium-métal et l’électrolyte solide, ce qui nuit à la performance et à la fiabilité à long terme de la batterie.

Afin de surmonter ces deux obstacle, l’équipe emmenée par Mario El Kazzi, chef du groupe Matériaux pour batteries et diagnostic à l’Institut Paul Scherrer (PSI), a mis au point une nouvelle méthode de fabrication: «Nous avons combiné deux approches qui, ensemble, densifient l’électrolyte et stabilisent l'interface avec le lithium», explique le chercheur. L’équipe vient de publier ses résultats dans la revue scientifique Advanced Science.

Le problème de la densification

L’étude du PSI se focalise sur le Li₆PS₅Cl, un électrolyte de type argyrodite à base de lithium, de phosphore et de soufre (LPSCl). Ce minéral présente une haute conductivité ionique qui permet un transport rapide des ions à l’intérieur de la batterie. Cette condition préalable est essentielle pour des performances élevées et des processus de charge efficaces, et fait donc des électrolytes à base d’argyrodite des candidats prometteurs pour des batteries tout solide. Mais à ce jour, la réalisation échouait à densifier suffisamment le matériau pour qu’il n’y ait pas de cavités dans lesquelles les dendrites de lithium puissent s’infiltrer.

Jusque-là, les groupes de recherche misaient sur deux démarches pour densifier l’électrolyte solide: soit ils pressaient le matériau à température ambiante sous très haute pression, soit ils utilisaient des procédés de pressage à chaud combinant la pression et des températures supérieures à 400º C. Cette dernière méthode est appelée frittage classique: elle consiste à faire fondre les particules par application de chaleur et de pression pour qu’elles forment une structure plus dense.

Mais ces deux méthodes avaient des effets indésirables: le pressage à température ambiante était insuffisant, car il entraînait une microstructure poreuse et une croissance excessive des grains. Le traitement à très hautes températures, quant à lui, présentait un risque de dégradation de l’électrolyte solide. Pour obtenir un électrolyte robuste et une interface stable, les scientifiques du PSI ont donc dû adopter une nouvelle approche.

L’astuce de la température

Afin de densifier l’argyrodite en un électrolyte homogène, Mario El Kazzi et son équipe ont intégré le facteur température, mais de manière plus maîtrisée: au lieu du procédé de frittage classique, ils ont opté pour une approche en douceur où le minéral est pressé sous pression modérée à une température tempérée de seulement 80º C environ. Ce frittage doux a été la clé du succès: la chaleur modérée et la pression exercée ont permis aux particules de s’ordonner de la manière souhaitée sans modifier la stabilité chimique du matériau. Les particules du minéral ont formé des liaisons étroites, les zones poreuses sont devenues plus compactes et les petites cavités se sont refermées. Le résultat: une microstructure compacte, dense, armée pour résister à l’infiltration de dendrites de lithium. Sous cette forme, l’électrolyte solide se prête déjà particulièrement bien au transport rapide de ions de lithium.

Mais à lui seul, le frittage doux ne suffisait pas. Si l’on voulait qu’il fonctionne de manière fiable avec des densités de courant élevées, comme lors de la charge rapides et de la décharge, l’électrolyte solide devait subir une autre modification. Un revêtement de seulement 65 nanomètres d’épaisseur a donc été vaporisé sous vide et appliqués régulièrement en film ultrafin de fluoride de lithium (LiF) sur la surface de lithium. Cette couche de passivation se trouve ainsi à l’interface entre l’anode et l’électrolyte solide.

Cette couche intermédiaire remplit une double fonction: d’une part, elle empêche la dégradation électrochimique de l’électrolyte solide lors de son contact avec le lithium et supprime la formation de lithium «mort» inactif. D’autre part, elle fait office de barrière physique qui empêche les dendrites de lithium de s’infiltrer dans l’électrolyte solide.

Des résultats exceptionnels après 1500 cycles de charge et décharge

Lors d’essais en laboratoire avec des piles boutons, la batterie a démontré des performances exceptionnelles dans des conditions difficiles. «La stabilité de son cycle à haute tension était remarquable», relève Jinsong Zhang, doctorant et premier auteur de l’étude. Après 1500 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 taux exceptionnel, note encore le chercheur. Ces résultats figurent parmi les meilleurs obtenus à ce jour.» De ce fait, Jinsong Zhang estime qu’en termes de densité énergétique et de durée de vie, les batteries tout solide ont de bonnes chances de surpasser bientôt les batteries conventionnelles lithium-ions avec leur électrolyte liquide.

Mario El Kazzi et son équipe sont ainsi les premiers à montrer que la combinaison de frittage doux et de couche de passivation empêche efficacement tant la formation de dendrites que l’instabilité à l’interface, deux des défis les plus persistants dans le domaine des batteries tout solide. Cette solution combinée représente un important progrès dans la recherche sur les batteries tout solide. Elle apporte également des avantages écologiques et économiques car avec ses basses températures, la méthode économise de l’énergie, et donc des coûts. «Notre approche constitue une solution pratique pour la fabrication de batteries tout solide à base d’argyrodite, conclut Mario El Kazzi. Encore quelques ajustements supplémentaires, et nous pourrons nous lancer.»