Le rôle du recuit dans l'amélioration des performances des batteries au lithium à semi-conducteurs

Les batteries au lithium entièrement solides sont devenues le nouvel engouement de la science et de l'ingénierie des matériaux, car les batteries lithium-ion conventionnelles ne peuvent plus répondre aux normes des technologies avancées, telles que les véhicules électriques, qui exigent des densités d'énergie élevées, une charge rapide et un cycle long. vies. Les batteries entièrement à l'état solide, qui utilisent un électrolyte solide au lieu d'un électrolyte liquide que l'on trouve dans les batteries traditionnelles, non seulement répondent à ces normes, mais sont comparativement plus sûres et plus pratiques car elles ont la possibilité de se recharger en peu de temps.

Cependant, l'électrolyte solide présente son propre défi. Il s'avère que l'interface entre l'électrode positive et l'électrolyte solide présente une grande résistance électrique dont l'origine n'est pas bien comprise. De plus, la résistance augmente lorsque la surface de l'électrode est exposée à l'air, ce qui dégrade la capacité et les performances de la batterie. Si plusieurs tentatives ont été faites pour baisser la résistance, aucune n'a réussi à la faire descendre à 10 Ω cm² (ohm centimètre carré), la valeur de résistance d'interface rapportée lorsqu'elle n'est pas exposée à l'air.

Or, dans une étude récente publiée dans Matériaux appliqués et interfaces ACS, une équipe de recherche dirigée par le professeur Taro Hitosugi du Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japon, et Shigeru Kobayashi, doctorant à Tokyo Tech, ont peut-être enfin résolu ce problème. En établissant une stratégie pour restaurer la faible résistance d'interface ainsi que pour démêler le mécanisme sous-jacent à cette réduction, l'équipe a fourni des informations précieuses sur la fabrication de batteries à semi-conducteurs hautes performances. L'étude est le résultat d'une recherche conjointe de Tokyo Tech, de l'Institut national des sciences et technologies industrielles avancées (AIST) et de l'Université de Yamagata.

Pour commencer, l'équipe a préparé des batteries à couches minces comprenant une électrode négative au lithium, un LiCoO₂ électrode positive, et un Li₃PO₄ électrolyte solide. Avant de terminer la fabrication d'une batterie, l'équipe a exposé le LiCoO₂ surface-air, azote (N₂), oxygène (O₂), le dioxyde de carbone (CO₂), hydrogène (H₂), et la vapeur d'eau (H₂O) pendant 30 minutes.

À leur grande surprise, ils ont constaté que l'exposition à N₂, L'₂, CO₂et H₂, n'a pas dégradé les performances de la batterie par rapport à une batterie non exposée. "Seul H₂La vapeur d'O dégrade fortement le Li₃PO₄ – LiCoO₂ interface et augmente considérablement sa résistance à une valeur plus de 10 fois supérieure à celle de l'interface non exposée », explique le professeur Hitosugi.

L'équipe a ensuite réalisé un procédé appelé « recuit », dans lequel l'échantillon a subi un traitement thermique à 150°C pendant une heure sous forme de batterie, c'est-à-dire avec l'électrode négative déposée. Étonnamment, cela a réduit la résistance à 10.3 Ω cm², comparable à celle de la batterie non exposée !

En effectuant des simulations numériques et des mesures de pointe, l'équipe a ensuite révélé que la réduction pouvait être attribuée à l'élimination spontanée de protons à l'intérieur du LiCoO₂ structure lors du recuit.

« Notre étude montre que les protons du LiCoO₂ La structure joue un rôle important dans le processus de récupération. Nous espérons que l'élucidation de ces processus microscopiques interfaciaux contribuera à élargir le potentiel d'application des batteries entièrement solides », conclut le professeur Hitosugi.