Une équipe de recherche de l’Université technique de Munich a découvert une classe de matériaux avec une conductivité supérieure à la moyenne, ce qui pourrait conduire au développement de batteries à semi-conducteurs hautes performances.
Les batteries à semi-conducteurs ne contiennent pas de liquide, contrairement aux batteries rechargeables traditionnelles dans lesquelles les ions lithium se déplacent à travers un électrolyte liquide de l’anode à la cathode et vice-versa. L’électrolyte des batteries à semi-conducteurs est une substance solide qui ne peut ni fuir ni brûler. De plus, cet électrolyte solide permet de réduire le poids de la batterie, ce qui en fait théoriquement une alternative idéale.
« Mais dans la pratique, les électrolytes à l’état solide disponibles jusqu’à présent, principalement des céramiques oxydiques ou des composés à base de soufre, se sont révélés incapables de répondre complètement aux attentes », a déclaré Thomas Fässler, dont l’équipe du TUM se consacre à la recherche d’électrolytes plus efficaces. « Le problème est que les ions lithium ne diffusent que lentement à travers les matériaux solides. Notre objectif était de mieux comprendre le transport des ions, puis d’utiliser ces connaissances pour augmenter la conductivité.
Le résultat de leurs efforts est une poudre cristalline qui est un conducteur d’ions lithium supérieur à la moyenne. Il ne contient pas de soufre, mais plutôt du phosphore, de l’aluminium et une proportion relativement élevée de lithium. Des mesures en laboratoire ont montré que cette classe de substances jusque-là ignorée a un niveau élevé de conductivité.
En très peu de temps, les chimistes ont réussi à créer une douzaine de nouveaux composés apparentés qui contiennent, par exemple, du silicium ou de l’étain au lieu de l’aluminium. Cette large base de nouveaux matériaux permet d’optimiser rapidement les propriétés des matériaux.
Pour comprendre pourquoi ces éléments sont de si bons conducteurs d’ions, Fässler et ses collègues ont eu recours à des faisceaux de neutrons pour observer les processus qui se déroulent à l’intérieur de leurs cristaux.
« Les neutrons que nous avons du réacteur de recherche permettent de trouver même les atomes les plus légers. C’est parce que les neutrons interagissent avec les noyaux des atomes et non avec la coquille atomique, comme c’est le cas avec le rayonnement X », Anatoliy Senyshyn, qui supervise le diffractomètre à poudre de la Research Neutron Source Heinz Maier-Leibnitz, qui était utilisé pour analyser le nouveau matériau d’électrolyte, a déclaré. « Dans le passé, nous avions déjà étudié une variété de membres de la nouvelle famille diversifiée de conducteurs lithium-ion solides. Nous pouvons utiliser la diffraction des neutrons pour visualiser comment les ions utilisent l’espace libre dans le réseau cristallin pour se déplacer.
Dans la nouvelle classe de substances, ces espaces libres sont disposés de manière à ce que les ions puissent se déplacer aussi bien dans toutes les directions. Ceci est le résultat du haut degré de symétrie trouvé dans les cristaux et est probablement la cause de la conductivité superionique du lithium, que l’équipe TUM a maintenant pu observer.
Les poudres synthétisées sont donc des candidats électrolytes très prometteurs pour les futures batteries à l’état solide. « Notre recherche fondamentale a le potentiel d’accélérer le développement de batteries plus performantes », a déclaré Fässler.
