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Batterie lithium-ion : quand des solides se prennent pour des liquides… ou l'inverse !
Un nouveau dispositif permettant une sécurité accrue des batteries lithium a été développé à l'IMN. Cette approche permet d'obtenir des dispositifs dits « tout-solide » présentant néanmoins des propriétés de liquides.
Ces systèmes sont obtenus en confinant à l'échelle nanométrique un liquide ionique dans une éponge de silice, le tout étant intimement assemblé avec une électrode composite de batterie lithium-ion. Ce concept est une des rares voies vers des batteries de puissance « tout-solide » ; il fait l'objet d'un article récent dans Advanced Functional Materials.
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Le stockage d’énergie est un des défis majeurs du 21ème siècle car il est nécessaire à l’exploitation optimisée d’énergies renouvelables. Les sources alternatives d’énergie comme le solaire ou l’éolien sont en effet le plus souvent intermittentes . Ces irrégularités demandent ainsi de pouvoir stocker l’énergie à la fois pour gérer de manière intelligente le réseau de distribution mais aussi pour alimenter les modes de transports propres ou l’électronique mobile. Aujourd’hui, obtenir simultanément de hautes performances et un niveau de sécurité élevé dans ces dispositifs de stockage est difficile notamment dans le cas des technologies comme les batteries lithium-ion, technologie à haute densité d’énergie actuellement la plus performante. Des cas d’incendies de batteries lithium-ion ont entraîné le rappel de centaines de milliers (voire millions) de batteries dans le domaine des applications mobiles, et ont ralenti la mise sur le marché de batteries de grandes dimensions pour des applications stationnaires. Développer de nouvelles technologies de batteries lithium-ion intrinsèquement de haute sécurité représente un enjeu stratégique(1).
De manière générale, une batterie fonctionne sur le principe d’un échange de charges, sous forme d’ions, entre deux électrodes via un électrolyte généralement liquide. C’est le contact de l’électrolyte avec chacune des électrodes qui permettra l’échange d’ions et qui générera le courant électrique. Les batteries commerciales utilisent un électrolyte liquide inflammable qui, dans le cas de détérioration ou de défaut interne, peut mener à une fuite, une surchauffe, une augmentation de pression ou un incendie. De nombreuses recherches sont menées pour trouver des solutions à ce problème : les électrolytes composés de polymères limitent les risquent de fuites, mais contiennent un solvant potentiellement dangereux en cas de surchauffe. Des technologies sans solvant sont en cours de développement mais la dégradation même du polymère peut avoir lieu et produire des émanations gazeuses toxiques. D’autres technologies tout-solide existent mais sont peu performantes pour le transport des ions, et elles impliquent donc des électrolytes et électrodes solides sous forme de couche minces (quelques microns) qui limitent la densité d’énergie par unité de surface.
Les liquides ioniques ont fait leur entrée dans le domaine des matériaux il y a une petite dizaine d’années : ils sont intéressants car ils permettent un bon transport des ions comme le cation lithium (Li+). Ils ne s’évaporent pas et présentent une très bonne résistance à la chaleur. Leur inconvénient majeur est leur état liquide qui impose des contraintes importantes pour leur usage dans des dispositifs physiques. Les chercheurs de l'Institut des Matériaux Jean Rouxel ont développé depuis quelques années une stratégie permettant, de former un réseau de type éponge de silice, où les pores de l’éponge sont de taille nanométrique, remplis de liquide ionique et d’assembler intimement cette « éponge » éléctolytique avec une électrode de batterie, le tout en une seule étape.
La particularité de cette éponge de silice est la taille nanométrique de ses pores : elles empêchent l’écoulement du liquide ionique tout en lui offrant tout un réseau de circulation. Cet électrolyte peut être pris en main comme un solide alors qu’il est composé à 90% de liquide, qu’il en possède les propriétés et surtout qu’il restitue le transport des ions à l’échelle macroscopique. Et l’électrode de batterie lithium ion utilisée par les chercheurs est macro-poreuse. Ainsi, avant la solidification de l’« éponge » électrolytique, les chercheurs assemble cette dernière avec l’électrode de batteries lithium-ion : ils obtiennent ainsi un excellent contact entre l’électrode et l’électrolyte.
Sur cette photographie en microscopie électronique à balayage d’une demi-batterie (une électrode et l’électrolyte), l’électrode composite apparaît en violet et l’électrolyte en jaune : l’électrolyte a pénétré la porosité macroscopique de l’électrode (points jaunes dans la partie en violet) et a également formé l’électrolyte séparateur (couche jaune) ; la représentation schématique superposée montre le réseau nanoporeux de liquide ionique dans l’éponge de silicium, que l’on retrouve aussi bien dans la macro-porosité de l’électrode qu’en tant que séparateur.
Ce travail est porté par les groupes Physique des Matériaux et Nanostructures (PMN) et Stockage et Transformation Electrochimique de l’Energie (ST2E) de l’Institut de Matériaux Jean Rouxel de Nantes, qui a coordonné à cette occasion le programme ANR LISSIL, pour « Lithium Solid-State Ionic Liquid », programme qui implique aussi des équipes de Montpellier, Saclay et Palaiseau.
(1)Goodenough, J.B., Abruña, H.D. & Buchanan, M.V. “Basic research needs for electrical energy storage.” in Report of the Basic Energy Sciences Workshop for Electrical Energy Storage, US Office of Basic Energy Sciences, july 2007
(1)“2009-2010 Profile of New Energy and Industrial Technology Development Organization”, Kawasaki, Japan, october 2009).
Référence
Jean Le Bideau, Jean-Baptiste Ducros, Patrick Soudan, Dominique Guyomard
Solid-State Electrode Materials with Ionic-Liquid Properties for Energy Storage: the Lithium Solid-State Ionic-Liquid Concept.
Adv. Funct. Mater. publié en ligne le 12 septembre 2011
Contact chercheur
Jean Le Bideau, Institut des matériaux Jean Rouxel de Nantes
Courriel :
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Tél : 02 40 37 39 19
Dominique Guyomard , Institut des matériaux Jean Rouxel de Nantes
Courriel :
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Tél : 02 40 37 39 12
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