Des chercheurs sud-coréens mettent au point une batterie solide sans anode de seulement 2,77 micromètres d’épaisseur
Des chercheurs de l’université Dongguk, en Corée du Sud, ont mis au point un prototype de batterie solide sans anode affichant une densité énergétique de 235 Wh/l après 100 cycles de charge. Épaisse de seulement 2,77 micromètres, cette batterie utilise une nouvelle couche intermédiaire d’étain et de carbone qui contribue à limiter les pertes de lithium et à améliorer sa fiabilité. Il ne s’agit pas encore d’une percée pour les batteries de véhicules électriques, mais cette approche pourrait aider à remédier à l’une des principales faiblesses techniques des batteries solides.
Une anode qui se forme pendant la charge
Publiée dans la revue scientifique Advanced Energy Materials sous le titre « Pushing Energy Density Limits: Anode-Less Solid-State Battery Integrated With Amorphous Lithium Vanadium Oxide Thin-Film Cathode », l’étude porte sur la maîtrise du dépôt de lithium dans les batteries solides. Dans une batterie lithium-ion classique, l’anode et la cathode sont distinctes, et les ions lithium se déplacent entre elles pendant la charge. La nouvelle conception ne comporte pas de couche d’anode classique au moment de sa fabrication. Lors de la première charge, le lithium passe de la cathode au collecteur de courant et y forme une couche de lithium métallique.
Cette approche permet de réduire la taille de la batterie et d’augmenter la quantité d’énergie stockée par unité de volume. Le problème tient toutefois à l’irrégularité du dépôt de lithium, qui peut entraîner une perte de capacité et des courts-circuits internes.
L’étain et le carbone améliorent la stabilité de la batterie
La solution des chercheurs repose sur un collecteur de courant en cuivre auquel ils ont ajouté une couche intermédiaire ultrafine d’étain et de carbone.
L’étain favorise l’amorce du dépôt de lithium, tandis que le carbone contribue à le répartir plus uniformément. Cela réduit le risque de formation de structures irrégulières de lithium pendant la charge, ou d’isolement électrique du lithium, qui ne participe alors plus au stockage de l’énergie. Les chercheurs ont également eu recours à une prélithiation, en ajoutant une petite réserve de lithium au système pour compenser les pertes irréversibles des premiers cycles de fonctionnement.
Le prototype associe une cathode en oxyde de lithium et de vanadium à un électrolyte solide de type LiPON. La cathode mesure environ 2 micromètres d’épaisseur, tandis que la cellule entière mesure 2,77 micromètres d’épaisseur.
Après 100 cycles de charge et de décharge, la cellule a atteint une densité énergétique volumique de 235,13 Wh/l. Les essais ont été réalisés à très faible courant, avec un taux de charge de 0,01 C.
Une densité énergétique encore insuffisante pour les véhicules électriques
Si ce résultat illustre une nouvelle approche pour développer des batteries solides, 235 Wh/l ne constitue pas une valeur exceptionnelle au regard des standards des batteries de véhicules électriques actuelles.
Les batteries lithium-ion modernes peuvent atteindre des densités énergétiques de plusieurs centaines de Wh/l à l’échelle de la cellule. Le prototype de Dongguk ne peut donc pas être considéré comme un concurrent direct des batteries pour véhicules électriques développées par Toyota, CATL ou d’autres grands fabricants de batteries.
Le principe de conception sous-jacent est plus important. Une architecture sans anode pourrait réduire la quantité de matériaux utilisés et permettre, à l’avenir, de produire des cellules plus compactes.
Pour le prototype actuel, des questions subsistent toutefois concernant la durabilité à long terme, la charge à courant élevé, les coûts de production et l’adaptation de la technologie à une production de batteries à grande échelle.
Cette nouvelle approche pourrait être particulièrement adaptée aux appareils électroniques portables, aux dispositifs médicaux et aux petits capteurs, pour lesquels les dimensions de la batterie comptent souvent davantage que sa densité énergétique.
Une piste de recherche importante pour l’industrie européenne des batteries
Les fabricants européens de batteries et les groupes automobiles investissent dans les batteries solides dans l’espoir d’accroître l’autonomie, d’améliorer la sécurité et de réduire la dépendance aux batteries lithium-ion classiques.
Les travaux de l’université Dongguk montrent néanmoins que la réussite des batteries solides ne dépend pas uniquement de nouveaux électrolytes. La maîtrise des processus aux interfaces des électrodes est au moins aussi importante.
Le véritable intérêt de l’étude ne réside pas dans sa densité énergétique de 235 Wh/l, mais dans la possibilité d’améliorer la stabilité d’une batterie sans anode. Si les chercheurs parviennent à appliquer le même principe à des cellules plus grandes et à des courants de charge plus élevés, il pourrait contribuer au développement des batteries de nouvelle génération.
Pour l’heure, la technologie reste au stade du laboratoire. Elle nécessiterait encore d’importants développements avant de pouvoir être utilisée dans les véhicules électriques.
