Une nouvelle méthode évolutive résout l'assemblage de matériaux dans les batteries à semi-conducteurs

Initialement publié par Oak Ridge National Laboratory.

Des scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont développé une méthode évolutive et peu coûteuse pour améliorer l'assemblage des matériaux dans les batteries à semi-conducteurs, résolvant ainsi l'un des grands défis du développement commercial de systèmes de stockage d'énergie sûrs et à longue durée de vie. .

Les batteries à semi-conducteurs intègrent une architecture de charge plus sûre et rapide comprenant un électrolyte solide par rapport aux électrolytes liquides des batteries lithium-ion actuelles. Un système de batterie commerciale à semi-conducteurs performant pourrait fournir au moins deux fois la densité énergétique des batteries lithium-ion avec un encombrement beaucoup plus réduit. Le système permettrait par exemple de permettre aux véhicules électriques d’avoir une autonomie considérablement améliorée.

L’un des défis de la fabrication de batteries à semi-conducteurs est la difficulté d’assembler correctement les matériaux et de rester stables pendant des cycles répétés de charge et de décharge. Les scientifiques qui étudient en laboratoire les méthodes permettant de surmonter cette caractéristique, appelée impédance de contact, se sont jusqu’à présent concentrés sur l’application de hautes pressions et d’autres méthodes. Mais ce processus peut conduire à un court-circuit et devra être réappliqué périodiquement pour prolonger la durée de vie de la batterie à l’aide d’une application de rechange coûteuse.

L'impulsion électrochimique utilisée par les chercheurs de l'ORNL élimine les vides qui se forment lors de l'assemblage de couches de matériau d'anode en lithium métallique avec un matériau électrolytique solide : dans ce cas, l'électrolyte céramique de type grenat LALZO (Li_6.25Al_0.25La₃Zr₂O₁₂). L'application d'impulsions courtes et à haute tension a conduit à un contact accru à l'interface des matériaux sans entraîner d'effets néfastes, comme détaillé in ACS Energy Letters.

La méthode d'impulsion non destructive et peu coûteuse génère un courant local générateur de chaleur qui entoure les vides enveloppés de lithium métallique et les amène à se dissiper. L’équipe a répété des expériences et une caractérisation avancée des matériaux, qui ont révélé que les composants de la batterie ne se dégradaient pas après l’application de la méthode d’impulsion. Cette approche pourrait être adaptée pour permettre à la batterie à semi-conducteurs d'être retirée et rafraîchie, la ramenant presque à sa capacité d'origine.

"Cette méthode permettra d'obtenir une architecture entièrement solide sans appliquer de force extrinsèque susceptible d'endommager la cellule et qui n'est pas pratique à déployer pendant l'utilisation de la batterie", a déclaré Ilias Belharouak, co-responsable du projet et chef de la section Électrification. à l'ORNL. "Dans le processus que nous avons développé, la batterie peut être fabriquée normalement, puis une impulsion peut être appliquée pour rajeunir et rafraîchir l'interface si la batterie devient fatiguée."

L'idée de la méthode est venue de travaux antérieurs dans lesquels les chercheurs de l'ORNL sur les batteries impulsions électrochimiques utilisées pour guérir les dendrites nocives qui peuvent se former dans les électrolytes solides.

Les recherches se poursuivent, notamment avec des expériences avec des matériaux électrolytiques plus avancés. L’équipe multidisciplinaire de stockage d’énergie d’ORNL s’efforce également d’étendre ses avancées vers un système de batterie à semi-conducteurs à l’échelle fonctionnelle.

"Parfois, les choses que vous voyez développées à l'échelle du laboratoire ne fonctionnent pas bien ensemble lorsque vous les intégrez dans l'architecture cellulaire", a déclaré Belharouak. « Chez ORNL, nous essayons d'intégrer le caractère pratique dans notre travail, en utilisant notre vaste équipe de scientifiques et d'ingénieurs pour combler les lacunes scientifiques à toutes les échelles afin d'adopter une approche qui peut être facilement adoptée par l'industrie. »

Parmi les autres scientifiques qui ont travaillé sur le projet figurent Ruhul Amin, Marm Dixit, Rachid Essehli, Charl Jafta et David L. Wood, III de l'ORNL, et Anand Parejiya, étudiant diplômé au Centre Bredesen pour l'éducation interdisciplinaire de l'Université de Tennessee, Knoxville.

Le projet a utilisé les capacités de l'usine de fabrication de batteries du DOE à ORNL. La recherche a été financée par le Bureau des technologies des véhicules du Bureau de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables du DOE, ainsi que par le programme de recherche et de développement dirigé par le laboratoire de l’ORNL.

UT-Battelle gère ORNL pour l'Office of Science du ministère de l'Énergie, le plus grand soutien de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis. L'Office of Science s'efforce de relever certains des défis les plus urgents de notre époque. Pour plus d'informations, s'il vous plaît visitez énergie.gov/science.

 

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Source : https://cleantechnica.com/2021/11/13/new-scalable-method-resolves-materials-joining-in-solid-state-batteries/