Des concepts innovants d’électrolytes à semi-conducteurs pourraient transformer le secteur des batteries

par Tatsuya Nakamura
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solid-state electrolyte

Les innovations dans la technologie des batteries ont été marquées par la création par des scientifiques d'un nouvel électrolyte solide à base de chlorure, améliorant la conductivité ionique, la sécurité et le prix abordable, révolutionnant potentiellement l'industrie des batteries et augmentant son attrait commercial.

Avancées des chercheurs dans les électrolytes à l’état solide au lithium-chlorure métallique.

Une équipe dirigée par le professeur Kang Kisuk du Centre de recherche sur les nanoparticules de l'Institut des sciences fondamentales (IBS) a révélé une avancée significative dans le domaine des batteries à semi-conducteurs. Ils ont identifié un électrolyte solide à base de chlorure doté d’une conductivité ionique exceptionnelle, une découverte qui devrait conduire à la création de batteries plus efficaces.

L’impératif des électrolytes solides

Les batteries commerciales actuelles, qui dépendent d'électrolytes liquides, présentent des problèmes d'inflammabilité et des risques potentiels d'explosion. Par conséquent, le développement d’électrolytes solides ininflammables est crucial pour le progrès de la technologie des batteries à semi-conducteurs. Dans un contexte de transition mondiale vers des transports durables et de réglementation imminente des moteurs à combustion interne en faveur des véhicules électriques, la recherche s'intensifie sur les composants essentiels des batteries secondaires, en particulier les variantes à semi-conducteurs.

La distribution spatiale des ions métalliques (yttrium dans ce cas) au sein des couches a un impact sur la conductivité ionique. Pour le transit sans entrave des ions lithium, il est nécessaire que l'occupation des ions métalliques au sein de chaque couche ne dépasse pas 0,444. De plus, le cheminement des ions lithium au sein de chaque couche nécessite que l’occupation des ions métalliques soit d’au moins 0,167. Ainsi, un taux d’occupation des ions métalliques compris entre 0,167 et 0,444 dans chaque couche est essentiel pour obtenir une couche hautement conductrice. Crédit : Institut des sciences fondamentales

Pour que les batteries à semi-conducteurs soient viables pour une utilisation régulière, le développement de matériaux possédant une conductivité ionique élevée, une stabilité chimique et électrochimique substantielle et une polyvalence mécanique est essentiel. Bien que des recherches antérieures aient abouti à des électrolytes solides à base de sulfures et d’oxydes dotés d’une conductance ionique considérable, ils ne répondaient pas à tous ces critères critiques.

Progrès dans les électrolytes solides à base de chlorure

Historiquement, les électrolytes solides à base de chlorure, reconnus pour leur conductivité ionique exceptionnelle, leur souplesse mécanique et leur stabilité à haute tension, ont fait l'objet de recherches. Ces attributs ont conduit certains chercheurs à les considérer comme les pionniers des applications de batteries à semi-conducteurs. Pourtant, l'enthousiasme initial a diminué car la dépendance des batteries au chlorure à l'égard de métaux de terres rares coûteux, tels que l'yttrium, le scandium et les lanthanides, pour les composants secondaires, a été considérée comme peu pratique.

Face à ces défis, l'équipe de recherche de l'IBS a examiné la distribution des ions métalliques dans les électrolytes chlorure. Ils ont émis l’hypothèse que la variation dans la disposition des ions métalliques pourrait influencer la conductance ionique des électrolytes chlorure trigonaux.

Leur hypothèse a été testée sur le chlorure de lithium et d'yttrium, un composé de chlorure métallique de lithium très répandu. Le placement des ions métalliques le long du trajet des ions lithium a créé des obstacles électrostatiques qui ont obstrué leur flux. Au contraire, si l’occupation des ions métalliques était minime, le chemin des ions lithium devenait trop restreint, entravant leur mouvement.

Tirant parti de ces découvertes, l’équipe a utilisé des stratégies pour concevoir des électrolytes capables de surmonter ces obstructions, aboutissant à la fabrication d’un électrolyte solide doté d’une conductivité ionique accrue. Ils ont en outre validé leur approche en développant une batterie à l'état solide au lithium-chlorure métallique avec du zirconium, une alternative plus abordable aux options à base de métaux des terres rares, marquant la première fois que l'importance du placement des ions métalliques sur la conductivité ionique d'un matériau a été présentée. .

La conséquence du placement d'ions métalliques

Cette recherche souligne l’impact critique mais souvent sous-estimé de la distribution des ions métalliques sur la conductivité ionique des électrolytes solides à base de chlorure. Il est prévu que cette percée au Centre IBS lancera le développement d'une gamme d'électrolytes solides à base de chlorure, accélérant ainsi la commercialisation de batteries à semi-conducteurs, annonçant un avenir de solutions de stockage d'énergie plus sûres et plus rentables.

L'auteur principal, Kang Kisuk, affirme : « L'électrolyte solide à base de chlorure que nous avons découvert est sur le point de surmonter les obstacles présentés par les électrolytes solides traditionnels à base de sulfure et d'oxyde, nous rapprochant ainsi de la mise en œuvre à grande échelle de batteries à semi-conducteurs. »

Référence : « Conception d'un conducteur superionique aux halogénures trigonales en régulant l'ordre-désordre des cations » par Seungju Yu, Joohyeon Noh, Byunghoon Kim, Jun-Hyuk Song, Kyungbae Oh, Jaekyun Yoo, Sunyoung Lee, Sung-O Park, Wonju Kim, Byungwook Kang, Donghyun Kil et Kisuk Kang, 2 novembre 2023, Science.
DOI : 10.1126/science.adg6591

La recherche a reçu un financement de l'Institut des sciences fondamentales.

Foire aux questions (FAQ) sur l'électrolyte solide

Quelle est l’importance du nouvel électrolyte solide à base de chlorure ?

L'électrolyte solide à base de chlorure nouvellement développé est important car il promet d'améliorer la conductivité ionique, d'améliorer la sécurité et de réduire les coûts associés aux batteries à semi-conducteurs, transformant potentiellement l'industrie des batteries et son paysage commercial.

Comment le nouvel électrolyte solide améliore-t-il la sécurité des batteries ?

En remplaçant les électrolytes liquides inflammables par une alternative solide non combustible, le nouvel électrolyte réduit le risque d'incendie et d'explosion, améliorant ainsi considérablement la sécurité des batteries.

Qu’est-ce qui rend les électrolytes solides à base de chlorure supérieurs aux autres types ?

Les électrolytes solides à base de chlorure sont connus pour leur conductivité ionique élevée, leur flexibilité mécanique et leur stabilité à haute tension, ce qui en fait de bons candidats pour les applications de batteries à semi-conducteurs.

Pourquoi les batteries à semi-conducteurs sont-elles importantes pour les véhicules électriques ?

Les batteries à semi-conducteurs sont importantes pour les véhicules électriques car elles offrent une densité énergétique plus élevée, une sécurité améliorée et une durée de vie plus longue que les batteries conventionnelles, ce qui pourrait conduire à des autonomies plus longues et à des temps de charge plus rapides.

Quel a été le rôle de la distribution des ions métalliques dans cette recherche ?

Il a été constaté que la distribution des ions métalliques dans l’électrolyte solide affecte de manière critique la conductivité ionique. La recherche a indiqué qu'une plage optimale d'occupation des ions métalliques dans les couches d'électrolyte est essentielle pour maximiser la conductivité.

Pouvez-vous expliquer les taux d’occupation des ions métalliques mentionnés dans l’étude ?

L'étude a révélé que pour maintenir une conductivité ionique élevée, le taux d'occupation des ions métalliques dans les couches d'électrolyte doit être supérieur à 0,167 mais inférieur à 0,444. Les taux compris dans cette plage garantissent un équilibre entre une largeur de voie suffisante et une obstruction minimale pour les ions lithium.

Quel avenir pour cet électrolyte solide à base de chlorure ?

La découverte de cet électrolyte solide à base de chlorure devrait conduire au développement d'une variété d'électrolytes à base de chlorure et à la commercialisation de batteries à semi-conducteurs, améliorant ainsi l'abordabilité et la sécurité du stockage d'énergie.

En savoir plus sur l'électrolyte solide

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5 commentaires

Alex Smith novembre 5, 2023 - 2:15 pm

nous parlons donc de batteries moins chères et plus sûres en raison de ce nouveau design, cela semble bien, mais sera-t-il réellement abordable pour les gens ordinaires comme nous ?

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Emma Brun novembre 5, 2023 - 3:48 pm

Je dois dire que je suis impressionné par les progrès de la recherche. Une conductivité ionique élevée pourrait changer la donne pour les véhicules électriques, l'article mentionnait quelque chose à propos de la distribution des ions… je dois y réfléchir davantage

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Rachel Green novembre 5, 2023 - 5:50 pm

Je ne suis pas sûr de la nature des taux d'occupation des ions métalliques, mais cela semble important pour l'efficacité de la batterie, je pense que cela a à voir avec la capacité de la batterie à retenir et à transférer de l'énergie ?

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John Doe novembre 6, 2023 - 12:54 am

je viens de lire sur la nouvelle technologie de batterie utilisant du chlorure, c'est vraiment quelque chose, n'est-ce pas ?, la sécurité est un gros problème avec tous ces gadgets que nous transportons

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Mike Ross novembre 6, 2023 - 2:28 am

ils ont mentionné le zirconium comme une option moins chère que les métaux des terres rares, c'est intéressant car j'ai entendu dire que le zirconium était principalement utilisé dans les bijoux avant cela.

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