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De plus en plus de laboratoires cherchent à développer des électrolytes solides pour produire demain des batteries plus performantes. Et les candidats sont nombreux. Une équipe américaine du MIT (Massachusetts Institute of Technology) s'est intéressée au sulfure de lithium réputé pour sa capacité à conduire les ions de manière simple et rapide. Et elle est parvenue à sonder les propriétés mécaniques d'un tel électrolyte solide afin d'en déterminer les performances.
Rappelons que les batteries lithium-ion sont composées de deux électrodes -- des couches solides et électrochimiquement actives -- séparées par un électrolyte liquideliquide ou sous forme de gelgel. Le principe : en mode charge, les ions passent d'une électrode à l'autre en traversant l'électrolyte et en mode décharge, ils font de même, mais dans le sens inverse. Au passage, ils altèrent petit à petit cet électrolyte qui se révèle chimiquement instable. Il peut alors se former des projections métalliques nommées dendrites qui peuvent être responsables de courts-circuitscourts-circuits. Et dans les cas extrêmes, mener à l'explosion de la batterie.
Ainsi, si les chercheurs s'intéressent aujourd'hui à la possibilité de remplacer les électrolytes liquides par des matériaux solides, c'est bien sûr dans l'idée de doper les performances des batteries (donc plus grande densité énergétique). Mais c'est aussi dans l'espoir de rendre ces batteries plus sûres, plus petites et plus légères encore.
Sur cette image, on observe, au centre, l’impact de la sonde utilisée par les chercheurs du MIT pour tester les propriétés mécaniques du sulfure de lithium. Les flèches pointent les fissures qui se sont formées dans le matériau. © MIT
Le sulfure de lithium pourrait améliorer les batteries
L'ennui, avec un électrolyte solide, c'est qu'il est, a priori, moins à même d'absorber les déformations mécaniques que subissent les électrodes -- également solides -- du fait des entrées et des sorties d'ions dans leurs structures au cours des cycles de charge et de décharge. Le candidat électrolyte solide se doit donc de se montrer résistant à la rupture pour éviter la formation de fissures. Car celles-ci conduiraient immanquablement à une dégradation rapide des performances de la batterie, voire à nouveau, à son explosion. D'où la nécessité de qualifier avec précision.
Des travaux utilisant des techniques de mesure acoustiques avaient déjà été menés par le passé. Mais ils ne permettaient pas de conclure quant à la résistancerésistance du sulfure de lithium à la fracture. Les chercheurs du MIT ont utilisé une sonde à pointe fine qu'ils ont piquée dans le matériaumatériau, plongé dans un bain d'huile minérale pour le protéger des agressions de l'airair. De quoi en apprendre plus sur sa duretédureté, sa résistance à la rupture et son module de Youngmodule de Young -- qui rend compte de sa capacité à se déformer de manière réversibleréversible.
La conclusion de l'étude : le sulfure de lithium se déforme facilement, mais lorsque la contrainte devient trop importante, il se fracture rapidement, comme se briserait un verre. Un phénomène qui pourrait être vu comme rédhibitoire à son intégration au cœur de batteries. Mais, selon les chercheurs du MIT, l'important reste de disposer désormais des informations utiles à la conception de batteries lithium 100 % solides en toute connaissance de cause.
