La problématique de l'interface dans les batteries au Li tout solide : une solution existe-t-elle ?

Résumé

L’historique de la batterie tout solide, son renouveau avec tout l’engouement qu’elle suscite aujourd’hui, a été introduit précédemment (fin cours 2018). Des progrès conséquents ont été effectués au niveau des conducteurs ioniques inorganiques. Cependant, la complexité des interfaces fait que nos espoirs doivent être modérés. Ce cours tente donc d’expliquer et de décrire les difficultés rencontrées pour réussir à maîtriser tant les interfaces Li-électrolyte que les interfaces oxydes-sulfures. Il décrit dans un premier temps la méthodologie de caractérisation des interfaces via la réalisation de cellules symétriques, ainsi que le développement de techniques de caractérisation in situ telles que la spectrométrie par photoémission de rayons X, afin de déterminer non seulement la nature, mais aussi la cinétique des réactions de décomposition aux interfaces. Le mécanisme de formation de la couche bloquante à l’électrode positive, au niveau de l’interface oxyde-sulfure, a également été expliqué et les stratégies pour y remédier, décrites. Ces stratégies incluent le dépôt d’une couche tampon (principalement oxyde acide) par des techniques sol-gel, par jets atomiques (ALD) ou par pulvérisation.

L’importance de comprendre/caractériser l’expansion chimio-mécanique des électrodes lamellaires Li₁-_xMO₂ a été illustrée notamment par une exacerbation de ce phénomène pour des valeurs de x > 0.5, limitant ainsi la capacité utilisable. Nous avons montré que l’électrode négative en contact avec l’électrolyte présente des problèmes d’interfaces liés à la croissance de dendrites, dont nous avons visualisé la formation par mesures optiques in situ. L’origine de cette croissance provient de la répartition non uniforme des courants à la surface du Li due à une mauvaise mouillabilité à la surface du grenat. L’utilisation de couches tampons d’Au et de Si semble remédier à ce problème. Les problèmes d’interfaces n’étant pas à ce jour réglés, certains impatients s’emploient à développer des méthodes hybrides consistant à modifier les interfaces par l’injection d’une membrane polymère contenant de l’électrolyte, voire des mélanges grenats-polymères conducteurs. Bien que de telles alternatives puissent conduire à des performances intéressantes, elles s’écartent du concept du « tout solide » et des avantages qui lui sont associés.

En guise de conclusions, on a mentionné l’annonce par la compagnie « Ionic Materials » de la découverte d’un polymère qui est présenté comme le premier du genre, puisqu’il a une conductivité à température ambiante de 10^–3 S/cm. Il est cependant trop tôt pour se prononcer sur le futur de cette technologie sans en connaître sa chimie.