Un pas de plus vers les batteries au lithium métal qui fonctionnent avec une pression externe minimale

Une équipe de chercheurs en batteries dirigée par l’Université de Californie à San Diego et l’Université de Chicago a développé une nouvelle méthodologie pour produire un électrolyte solide à couche mince potentiellement révolutionnaire appelé oxynitrure de lithium et de phosphore (LiPON). L’équipe a ensuite mis en œuvre sa version autonome du film LiPON dans des tests fonctionnels de batteries et a constaté qu’elle favorisait un dépôt électrochimique de lithium métallique uniformément dense sous une pression externe nulle, à l’aide d’une contrainte de compression interne et d’une couche d’ensemencement d’or. Ces travaux, réalisés par une équipe de chercheurs en batteries dirigée par l'Université de Californie à San Diego et l'Université de Chicago, ont été publiés dans la revue Nature Nanotechnology le 3 août 2023.

L'équipe de recherche est dirigée par le chercheur en batteries et professeur Ying Shirley Meng, affilié à l'Université de Chicago et à l'UC San Diego. Le premier auteur est Diyi Cheng, titulaire d'un doctorat récemment diplômé. dans le programme de science et d'ingénierie des matériaux de la Jacobs School of Engineering de l'UC San Diego, qui poursuit ses efforts de recherche au Lawrence Berkeley National Laboratory. L'équipe comprend également des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory et de l'UC Berkeley.

LiPON est un électrolyte solide en couche mince qui conduit les ions lithium et qui s'avère très prometteur pour une association avec une large gamme de matériaux d'électrodes pour l'industrie des batteries au lithium du futur. Cependant, les méthodes existantes de production de LiPON ont empêché les chercheurs de comprendre pleinement ce matériau. L’équipe a désormais trouvé un moyen de produire cet électrolyte solide prometteur sous une forme autonome, ce qui permet d’étudier le LiPON de manière plus approfondie. La nouvelle approche de fabrication du LiPON a également ouvert la porte à l’utilisation de cet électrolyte à l’état solide pour permettre la création de batteries au lithium métal à l’état solide qui pourraient fonctionner sous une pression externe minimale.

LiPON a été développé à l'origine par un groupe de scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge en 1992. Malgré les efforts de recherche continus au cours des trois dernières décennies, il reste un manque substantiel de compréhension approfondie des propriétés intrinsèques de LiPON et de ses interfaces associées, ce qui freine la promesse et les progrès. de matériaux LiPON. Plusieurs facteurs menant à ce dilemme comprennent :

Compte tenu des défis connus liés à l’étude du LiPON, l’équipe a développé une nouvelle méthodologie pour produire un film LiPON sous une forme autonome. Le résultat est un film LiPON (FS-LiPON) autonome, flexible et transparent, compatible avec un large éventail de techniques spectroscopiques qui ont de plus grandes chances de révéler les propriétés uniques du LiPON par rapport aux techniques basées sur la diffraction. Cette avancée a donné de nouvelles informations, décrites dans le nouvel article Nature Nanotechnology sur la chimie interfaciale, les propriétés thermiques et les propriétés mécaniques du LiPON. Les informations incluent :

En plus d’acquérir de nouvelles connaissances fondamentales sur LiPON, l’équipe de recherche a également mis en œuvre la nouvelle version autonome de l’électrolyte à semi-conducteurs dans des tests fonctionnels de batteries. L’équipe rapporte que le FS-LiPON à couche mince favorise un dépôt électrochimique de lithium métallique uniformément dense sous une pression externe nulle, à l’aide d’une contrainte de compression interne et d’une couche d’ensemencement d’or. Cette découverte donne des indications précieuses concernant l’ingénierie des interfaces dans les batteries à semi-conducteurs en vrac.

Les batteries à couches minces basées sur LiPON ont montré un grand potentiel pour les appareils portables et autres appareils électroniques compacts avec un marché gigantesque. Le film FS-LiPON produit dans ce travail décrit par Diyi Cheng et al. in Nature Nanotechnology a permis des discussions approfondies sur la chimie des interfaces, la diffusion des ions et l'ingénierie des interfaces, qui ont mis en lumière à la fois les principes fondamentaux et les applications des matériaux LiPON, et pourraient bénéficier au développement des batteries au lithium à l'état solide de plusieurs manières.

« Un électrolyte à couche mince d'oxynitrure de lithium et de phosphore autonome favorise le dépôt de lithium métallique uniformément dense sans pression externe », dans Nature Nanotechnology du 3 août 2023.