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La recherche Argonne fait progresser les batteries à semi-conducteurs
Une étude publiée dans ACS Materials Letters par des chercheurs du laboratoire national du département américain de l'énergie (DOE) a examiné les électrolytes solides pour les batteries entièrement solides.Les résultats contribuent au développement de technologies de batterie plus sûres et plus économes en énergie.
Les batteries lithium-ion alimentent une gamme d'appareils, y compris les téléphones portables, les ordinateurs portables et les véhicules électriques.Compte tenu de leur utilisation généralisée, les chercheurs continuent d'explorer des moyens d'améliorer la sécurité et l'efficacité des batteries.
Les électrolytes agissent comme des membranes qui facilitent le transport du lithium-ion entre les électrodes positives et négatives d'une batterie.Contrairement aux batteries au lithium-ion conventionnelles, qui utilisent des électrolytes liquides, les batteries entièrement solides utilisent des électrolytes solides.Ces matériaux offrent une densité d'énergie plus élevée, une durée de vie plus longue et une sécurité améliorée, car elles ne sont ni volatiles ni inflammables.
Les électrolytes solides sont également moins réactifs avec le lithium métal, ce qui les rend plus adaptés aux électrodes de lithium en métal par rapport aux électrolytes liquides.Le lithium métal a une densité d'énergie plus élevée que le graphite, un matériau d'électrode conventionnel, car tous ses atomes participent aux cycles chargés et de décharge.
Lithium Lanthanum Zirconium Garnet (LLZO) est un électrolyte solide prometteur en raison de sa stabilité, de sa durabilité et de sa conductivité ionique élevée, ce qui permet un transport de lithium-ionique efficace entre les électrodes.Les chercheurs ont exploré le doping llzo avec des éléments tels que l'aluminium ou le gallium pour améliorer sa conductivité.Le dopage consiste à introduire de petites quantités d'un autre élément pour modifier les propriétés du matériau.
Le dopage avec de l'aluminium ou du gallium aide LLZO à conserver sa structure la plus symétrique et introduit des sites vacants qui facilitent le mouvement du lithium-ion, améliorant la conductivité.Cependant, le dopage peut également augmenter la réactivité de LLZO avec le lithium métal, ce qui peut réduire la durée de vie du cycle de la batterie.
Pour comprendre ce compromis, les chercheurs ont examiné l'interaction entre le LLZO dopé et le lithium métallique en utilisant des méthodes de calcul et expérimentales.Ils ont constaté que le gallium est plus mobile et forme facilement un alliage avec du lithium, conduisant à son épuisement de LLZO.Cette épuisement modifie la structure du grenat du lithium et réduit sa conductivité ionique.En revanche, le LLZO dopé en aluminium reste plus stable.
LLZO dopé au gallium offre une conductivité ionique plus élevée que le LLZO dopé en aluminium, mais sa réactivité avec le lithium suggère qu'une couche interfaciale est nécessaire pour maintenir la conductivité tout en empêchant la dégradation.
Ces résultats donnent un aperçu de la façon dont différents dopants influencent les performances et la stabilité de LLZO, informant le développement de batteries à l'état solide plus fiables.
En intégrant les approches informatiques et expérimentales, les chercheurs ont mesuré les propriétés clés des matériaux dopés tout en obtenant des informations au niveau atomique sur les interactions entre le lithium métal et les électrolytes solides.
En utilisant la théorie fonctionnelle de la densité, une méthode de calcul pour modéliser le comportement atomique et électronique dans les matériaux, ils prédisaient la stabilité du dopant et ses interactions avec d'autres composants.
Peu de techniques expérimentales permettent un examen direct de l'interface électrolyte-électrode solide, en particulier pendant les réactions électrochimiques dans le fonctionnement de la batterie.Tepavcevic a noté que ces interfaces sont «enterrées» et pas facilement accessibles avec des méthodes expérimentales conventionnelles.
Pour analyser les changements de chimie de surface dans LLZO, les chercheurs ont utilisé la spectroscopie photoélectronique aux rayons X.La spectroscopie d'impédance électrochimique a été utilisée pour étudier la mobilité du lithium-ion dans l'électrolyte et à l'interface électrolyte-électrode.
La diffraction des neutrons, une autre technique expérimentale, a été utilisée pour déterminer les arrangements atomiques dans le matériau.Cette méthode a confirmé que le gallium est devenu moins stable et plus réactif lors de l'interaction avec le lithium, tandis que l'aluminium est resté stable.
L'étude a bénéficié de collaborations avec des institutions telles que l'Université de Californie à Santa Barbara, qui a fourni des échantillons LLZO de haute qualité.Des expériences de diffraction des neutrons ont été menées à l'Institut de physique nucléaire de l'Académie tchèque des sciences en République tchèque et au Zentrum de Heinz Maier-Leibnitz en Allemagne.
Zapol a ajouté: «Le rôle de la collaboration américano-allemande était absolument essentiel pour ce travail.Pour l'avenir, ces résultats ouvrent de nouvelles avenues dans la poursuite internationale de batteries à semi-conducteurs plus sûres et plus efficaces. »
L'étude a été soutenue par la coopération américaine-allemande sur le stockage d'énergie, établie par le Bureau d'efficacité énergétique du DOE et les énergies renouvelables pour le Bureau des technologies de véhicules afin de faciliter la recherche collaborative sur les batteries au lithium.
Les contributeurs d'Argonne incluent Yisi Zhu, Justin Connell, Zachary Hood, Michael Counihan et Matthew Klenk, avec Tepavcevic et Zapol.Jeff Sakamoto a été apporté par Jeff Sakamoto à l'Université de Californie à Santa Barbara;Charles Hervoches de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie tchèque des sciences;et Neelima Paul et Ralph Gilles du Heinz Maier-Leibnitz Zentrum.
Les batteries lithium-ion alimentent une gamme d'appareils, y compris les téléphones portables, les ordinateurs portables et les véhicules électriques.Compte tenu de leur utilisation généralisée, les chercheurs continuent d'explorer des moyens d'améliorer la sécurité et l'efficacité des batteries.
Les électrolytes agissent comme des membranes qui facilitent le transport du lithium-ion entre les électrodes positives et négatives d'une batterie.Contrairement aux batteries au lithium-ion conventionnelles, qui utilisent des électrolytes liquides, les batteries entièrement solides utilisent des électrolytes solides.Ces matériaux offrent une densité d'énergie plus élevée, une durée de vie plus longue et une sécurité améliorée, car elles ne sont ni volatiles ni inflammables.
Les électrolytes solides sont également moins réactifs avec le lithium métal, ce qui les rend plus adaptés aux électrodes de lithium en métal par rapport aux électrolytes liquides.Le lithium métal a une densité d'énergie plus élevée que le graphite, un matériau d'électrode conventionnel, car tous ses atomes participent aux cycles chargés et de décharge.
Lithium Lanthanum Zirconium Garnet (LLZO) est un électrolyte solide prometteur en raison de sa stabilité, de sa durabilité et de sa conductivité ionique élevée, ce qui permet un transport de lithium-ionique efficace entre les électrodes.Les chercheurs ont exploré le doping llzo avec des éléments tels que l'aluminium ou le gallium pour améliorer sa conductivité.Le dopage consiste à introduire de petites quantités d'un autre élément pour modifier les propriétés du matériau.
Le dopage avec de l'aluminium ou du gallium aide LLZO à conserver sa structure la plus symétrique et introduit des sites vacants qui facilitent le mouvement du lithium-ion, améliorant la conductivité.Cependant, le dopage peut également augmenter la réactivité de LLZO avec le lithium métal, ce qui peut réduire la durée de vie du cycle de la batterie.
Pour comprendre ce compromis, les chercheurs ont examiné l'interaction entre le LLZO dopé et le lithium métallique en utilisant des méthodes de calcul et expérimentales.Ils ont constaté que le gallium est plus mobile et forme facilement un alliage avec du lithium, conduisant à son épuisement de LLZO.Cette épuisement modifie la structure du grenat du lithium et réduit sa conductivité ionique.En revanche, le LLZO dopé en aluminium reste plus stable.
LLZO dopé au gallium offre une conductivité ionique plus élevée que le LLZO dopé en aluminium, mais sa réactivité avec le lithium suggère qu'une couche interfaciale est nécessaire pour maintenir la conductivité tout en empêchant la dégradation.
Ces résultats donnent un aperçu de la façon dont différents dopants influencent les performances et la stabilité de LLZO, informant le développement de batteries à l'état solide plus fiables.
En intégrant les approches informatiques et expérimentales, les chercheurs ont mesuré les propriétés clés des matériaux dopés tout en obtenant des informations au niveau atomique sur les interactions entre le lithium métal et les électrolytes solides.
En utilisant la théorie fonctionnelle de la densité, une méthode de calcul pour modéliser le comportement atomique et électronique dans les matériaux, ils prédisaient la stabilité du dopant et ses interactions avec d'autres composants.
Peu de techniques expérimentales permettent un examen direct de l'interface électrolyte-électrode solide, en particulier pendant les réactions électrochimiques dans le fonctionnement de la batterie.Tepavcevic a noté que ces interfaces sont «enterrées» et pas facilement accessibles avec des méthodes expérimentales conventionnelles.
Pour analyser les changements de chimie de surface dans LLZO, les chercheurs ont utilisé la spectroscopie photoélectronique aux rayons X.La spectroscopie d'impédance électrochimique a été utilisée pour étudier la mobilité du lithium-ion dans l'électrolyte et à l'interface électrolyte-électrode.
La diffraction des neutrons, une autre technique expérimentale, a été utilisée pour déterminer les arrangements atomiques dans le matériau.Cette méthode a confirmé que le gallium est devenu moins stable et plus réactif lors de l'interaction avec le lithium, tandis que l'aluminium est resté stable.
L'étude a bénéficié de collaborations avec des institutions telles que l'Université de Californie à Santa Barbara, qui a fourni des échantillons LLZO de haute qualité.Des expériences de diffraction des neutrons ont été menées à l'Institut de physique nucléaire de l'Académie tchèque des sciences en République tchèque et au Zentrum de Heinz Maier-Leibnitz en Allemagne.
Zapol a ajouté: «Le rôle de la collaboration américano-allemande était absolument essentiel pour ce travail.Pour l'avenir, ces résultats ouvrent de nouvelles avenues dans la poursuite internationale de batteries à semi-conducteurs plus sûres et plus efficaces. »
L'étude a été soutenue par la coopération américaine-allemande sur le stockage d'énergie, établie par le Bureau d'efficacité énergétique du DOE et les énergies renouvelables pour le Bureau des technologies de véhicules afin de faciliter la recherche collaborative sur les batteries au lithium.
Les contributeurs d'Argonne incluent Yisi Zhu, Justin Connell, Zachary Hood, Michael Counihan et Matthew Klenk, avec Tepavcevic et Zapol.Jeff Sakamoto a été apporté par Jeff Sakamoto à l'Université de Californie à Santa Barbara;Charles Hervoches de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie tchèque des sciences;et Neelima Paul et Ralph Gilles du Heinz Maier-Leibnitz Zentrum.