Céramique hybride

Les futures générations de batteries lithium-ion à semi-conducteurs basées sur des électrolytes hybrides céramique-polymère pourraient offrir le potentiel d'un stockage d'énergie plus important, d'une recharge plus rapide et d'une stabilité électrochimique et thermique plus élevée, tout en surmontant de nombreux défis technologiques associés aux batteries à semi-conducteurs antérieures. .

Au Georgia Institute of Technology (Georgia Tech), les chercheurs s'efforcent d'élargir leur compréhension fondamentale de ces électrolytes hybrides, le composant qui transfère la charge entre les électrodes lorsque les batteries alimentent les systèmes tels que les véhicules électriques (VE) - et sont ensuite rechargés. Les batteries lithium-ion largement utilisées dans les véhicules électriques d'aujourd'hui reposent sur des électrolytes liquides, qui sont sensibles à l'emballement thermique et au feu s'ils sont endommagés.

"Nous avons montré que nous pouvions fabriquer ces électrolytes hybrides à l'état solide et les mettre dans des piles boutons pour démontrer des performances et une stabilité élevées", a déclaré Ilan Stern, chercheur principal qui dirige la recherche sur les batteries au Georgia Tech Research Institute ( GTRI), l'organisation de recherche appliquée de Georgia Tech. « Nous avons jeté les bases pour montrer que nous pouvons développer des innovations dans les batteries à semi-conducteurs basées sur ces hybrides céramique-polymère. Notre prochaine étape consiste à intégrer la technologie dans les cellules de poche, le type de batteries utilisées dans les véhicules électriques.

Les chercheurs du GTRI travaillent avec des collègues de la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, de la School of Materials Science and Engineering et du Strategic Energy Institute de Georgia Tech sur la recherche d'un électrolyte connu sous le nom de phosphate de lithium aluminium germanium (LAGP). Un composant polymère connu sous le nom de poly DOL entoure l'électrolyte LAGP, fournissant une conductivité ionique interne qui va bien au-delà des électrolytes céramiques existants, sans les inconvénients des liquides inflammables. L'équipe de fabrication et la collaboration universitaire sont dirigées par Jinho Park, chercheur au GTRI. La synthèse de la céramique LAGP est dirigée par Jason Nadler, chercheur principal au GTRI.

Stern décrit les électrolytes en céramique traditionnels comme similaires aux bonbons durs - pensez aux M&Ms - versés dans l'espace entre l'anode et la cathode de la batterie. Les céramiques dures offrent des avantages en matière de sécurité et de stockage d'énergie, mais sont limitées dans leur contact avec les électrodes pour transférer des charges ioniques. L'ajout du polymère améliore considérablement le contact interfacial entre les électrodes et l'électrolyte tout en conservant la plupart des avantages de la céramique.

"La stabilité électrochimique, la stabilité thermique et la stabilité mécanique seront les principales différences entre les électrolytes liquides et ces hybrides", a-t-il déclaré. "Nous prenons vraiment le meilleur des deux mondes. Comme les batteries à semi-conducteurs permettent l'utilisation d'une anode Li-métal, le plafond de capacité est nettement plus élevé, nous devrions donc finalement voir une augmentation spectaculaire de la densité d'énergie par rapport aux batteries conventionnelles. Batteries Li-ion basées sur les électrolytes liquides."

L'électrolyte hybride céramique-polymère ressemble à une rondelle de hockey, mais sera plus résistant aux dommages qu'une céramique pure. "Ce sera certainement beaucoup plus indulgent qu'une céramique", a déclaré Stern. "Même si des micro-fissures se développent, le polymère fournira l'échafaudage pour assurer l'intégrité, en le maintenant structurellement."

Les batteries à semi-conducteurs ne sont pas encore utilisées à des fins commerciales, mais au moins un fabricant de véhicules électriques prévoit de les installer dans des véhicules au cours des prochaines années, car les fabricants de batteries continuent d'apporter des améliorations. Mais la technologie est beaucoup moins mature que les systèmes à électrolyte liquide existants, invitant des innovations telles que le système hybride sur lequel travaillent les chercheurs de Georgia Tech.

La recherche est financée, en partie, par un engagement de recherche et développement indépendant de 1,1 million de dollars sur trois ans du GTRI. "Grâce à l'investissement fédéral et étatique sans précédent réalisé en Géorgie pour les véhicules électriques, la fabrication de batteries et le recyclage, GTRI continue de nouer de solides collaborations pour aider à identifier les lacunes et les nouveaux modèles commerciaux - et à prévoir le nombre et les types d'usines de recyclage nécessaires pour répondre à demandes futures du marché », a ajouté Stern.

Sur la base de résultats encourageants avec de petites batteries à l'échelle du laboratoire, les chercheurs prévoient d'étendre leurs travaux à des batteries qui pourraient être fabriquées par centaines ou par milliers pour un développement et des tests supplémentaires et, finalement, une fabrication à grande échelle. "Alors que nous augmentons notre efficacité avec la fabrication, les coûts de fabrication diminueront, tandis que l'intégration de la chaîne d'approvisionnement et les objectifs de durabilité de la réutilisation et du recyclage auront un impact important", a déclaré Stern.

Au-delà de la démonstration du potentiel de cette technologie, l'équipe de recherche modélise également le fonctionnement des cellules pour aider à guider le développement technologique futur et à évaluer le cycle de vie potentiel des batteries à semi-conducteurs à électrolyte hybride. Parmi les objectifs futurs figurent l'intégration de la technologie dans des chaînes d'approvisionnement qui ne dépendraient pas de matériaux provenant de zones de conflit dans le monde, et l'évaluation de nouveaux matériaux d'électrode tels que le lithium métal et le silicium pour remplacer le graphite standard.

"L'objectif de la tâche d'ingénierie système basée sur les modèles (MBSE) est de modéliser des connaissances expertes allant du niveau de fabrication à l'intégration du système pour dévoiler des opportunités de recherche ainsi que de nouveaux modèles commerciaux", a déclaré Paula Gomez, ingénieure de recherche senior au GTRI. , et le chef de l'équipe de modélisation.

L'équipe de recherche développe des modèles dans trois domaines principaux : (1) fabrication et performance ; (2) processus de fabrication; et (3) réutilisation, remise à neuf et recyclage. L'intégration de ces modèles implique d'évaluer l'efficacité et la stabilité de la batterie, le coût de production et la consommation d'énergie, ainsi que le retour sur investissement des matériaux de recyclage.

Bien que les avantages des électrolytes à l'état solide soient très attrayants, des défis restent à relever. Un système d'électrolyte hybride est plus compliqué à fabriquer et les interactions électriques, mécaniques et chimiques entre les matériaux doivent être étudiées en profondeur. "Plus vous avez de complexité, plus vous devez comprendre de problèmes", a déclaré Stern.

Le GTRI est connu pour son soutien à la sécurité nationale par le biais de recherches parrainées par des agences du département américain de la Défense. Stern s'attend à ce que la technologie améliorée des batteries à semi-conducteurs finisse par se retrouver dans les équipements militaires portés par les soldats et les futures générations de véhicules militaires électriques.

Le travail soutient également le développement économique de l'État de Géorgie, qui devient rapidement une plaque tournante pour la fabrication de véhicules électriques et de batteries.

"La Géorgie est en train de devenir l'épicentre de la révolution de l'électrification avec des constructeurs automobiles tels que Rivian et Hyundai, des fabricants de batteries tels que SK, FREYER Battery et des recycleurs tels qu'Ascend Elements", a déclaré Stern. "Georgia Tech contribue au développement économique de l'État en aidant à stimuler cette innovation."

Fourni par Georgia Institute of Technology