Ces dernières années, les ingénieurs et les scientifiques des matériaux ont tenté de créer des technologies de batteries de plus en plus avancées qui se chargent plus rapidement, durent plus longtemps et peuvent stocker plus d'énergie. Ces batteries joueront à terme un rôle crucial dans l’avancement du secteur de l’électronique et de l’énergie, en alimentant la large gamme d’appareils portables disponibles sur le marché, ainsi que les véhicules électriques. Les batteries lithium-ion (LiB) sont actuellement les batteries les plus répandues dans le monde, alimentant la plupart des appareils électroniques que nous utilisons quotidiennement. L'identification de méthodes évolutives pour augmenter la vitesse à laquelle ces batteries se chargent est donc l'un des principaux objectifs dans le domaine de l'énergie, car cela ne nécessiterait pas de passer à des compositions de batteries entièrement nouvelles.
Des chercheurs de l'Université de technologie de Huazhong en Chine ont récemment introduit une nouvelle stratégie visant à développer des LiB à charge rapide contenant un matériau à base de graphite. La conception de leur batterie proposée, décrite dans un article publié dans Nature Energy, s'est avérée efficace pour accélérer le temps de charge des LiB, tout en leur permettant également de conserver une grande partie de leur capacité même après avoir été chargées des milliers de fois. "La désolvatation du Li+ dans les électrolytes et la diffusion au niveau de l'interphase solide-électrolyte (SEI) sont deux étapes déterminantes qui limitent la charge rapide des batteries lithium-ion à base de graphite", ont écrit Shuibin Tu, Bao Zhang et leurs collègues dans leur article.
"Nous montrons que la structure de solvatation Li+ à faible coordination des solvants pourrait être induite près du plan de Helmholtz interne sur les espèces inorganiques. Plus précisément, Li3P pourrait permettre une barrière de désolvatation Li+ plus faible et une capacité de diffusion Li+ plus rapide à travers le SEI par rapport aux composants SEI normaux. ". Essentiellement, les chercheurs ont effectué une série de tests pour évaluer comment divers composants d’interface électrolyte solide (SEI) affectent la structure dite de solvatation Li+, ce qui pourrait à son tour réduire le temps nécessaire à la charge d’une batterie. En fin de compte, ils ont identifié une combinaison de matériaux qui pourraient améliorer l’efficacité du processus dit de désolvatation Li+, permettant la migration rapide des ions Li+ à travers le SEI.
L’équipe a ensuite identifié une anode prometteuse basée sur un matériau appelé graphite PS, composé d’une couche ultra-mince de phosphore au-dessus d’une surface de graphite. Ils ont fabriqué ces anodes et les ont intégrées dans des cellules LiB, pour ensuite évaluer expérimentalement leurs performances. "Nous construisons une couche ultra-mince de phosphore ponté en S sur une surface de graphite, qui se convertit in situ en SEI cristallin à base de Li3P avec une conductivité ionique élevée", ont écrit Tu, Zhang et leurs collègues. "Nos cellules de poche avec une telle anode en graphite affichent une charge de 10 min et 6 min (6C et 10C) pour 91,2 % et 80 % de la capacité, respectivement, ainsi qu'une rétention de capacité de 82,9 % pendant plus de 2 000 cycles à un taux de charge de 6C. "
Dans l’ensemble, l’article de Tu, Zhang et leurs collègues met en évidence le rôle clé des composants SEI et des considérations structurelles pour influencer la vitesse à laquelle les cellules LiB se chargent. À l’avenir, l’approche proposée et les résultats expérimentaux prometteurs pourraient contribuer au développement de LiB de plus en plus rapides et durables, ce qui pourrait contribuer à répondre aux demandes pressantes de l’industrie électronique. "Nos travaux mettent en évidence l'importance de la chimie interfaciale pour la structure de solvatation Li+ et la formation de SEI et pourraient servir de guide pour la conception de composants SEI efficaces pour les LiB à charge rapide", concluent les chercheurs dans leur article.
