L'équipe du Dr. Nam Ki-hoon du Centre de recherche sur les matériaux et procédés de batteries de l'Institut coréen de recherche en électrotechnologie (KERI) a développé avec succès une technologie de contrôle d'intercouche en nano-étain, visant à résoudre le problème d'instabilité d'interface entre l'anode en lithium métallique et l'électrolyte solide dans les batteries tout-solide, l'un des principaux obstacles à la commercialisation de ces batteries. Les résultats de cette recherche ont été publiés dans la revue « Advanced Energy Materials ».
Les batteries tout-solide suscitent un intérêt croissant car leur risque d'incendie est significativement plus faible que celui des batteries à électrolyte liquide traditionnelles. En remplaçant l'anode en graphite conventionnelle par du lithium métallique, leur densité énergétique est améliorée, mais les défis techniques liés au contact d'interface restent importants. Le contact physique instable entre l'électrolyte solide et les matériaux d'électrode entrave le transport efficace des ions, et les structures dendritiques formées par le lithium métallique lors des cycles répétés de charge et de décharge réduisent davantage la durée de vie de la batterie.
Auparavant, les laboratoires comptaient généralement sur l'application d'une pression externe élevée de plusieurs dizaines de mégapascals ou sur des procédés de revêtement complexes pour stabiliser l'interface. Lorsque le système de haute pression est appliqué à des dispositifs réels comme les véhicules électriques, le poids du dispositif de pressurisation lui-même peut dépasser celui de la batterie, ce qui entraîne une augmentation des coûts de fabrication et une réduction de l'efficacité de l'utilisation de l'espace, limitant ainsi l'application à grande échelle.
La fine intercouche en nano-étain développée par l'équipe du KERI est directement imprimée sur la surface de l'anode en lithium métallique par un procédé d'impression par transfert. Cette intercouche réduit la résistance d'interface, diminue les dommages physiques au lithium métallique et sert de canal de transport pour les ions. L'équipe de recherche a testé cette technologie sur des cellules de poche. Sous une faible pression de seulement 2 mégapascals, la rétention de capacité après 500 cycles dépasse encore 81 %, avec une densité énergétique supérieure à 350 wattheures par kilogramme, dépassant la plage de 150 à 250 wattheures par kilogramme des batteries lithium-ion traditionnelles.
Le Dr. Nam Ki-hoon a déclaré : « Cette recherche est significative car elle garantit à la fois l'extensibilité sur de grandes surfaces et la stabilité d'interface nécessaires à la commercialisation des batteries tout-solide, tout en proposant une solution concrète et réalisable. » Le Dr. Ha Yoon-cheol, chef de projet, a souligné : « Les batteries tout-solide sont un domaine central de la compétition technologique dans le secteur des batteries, et ce résultat représente un progrès en matière d'autonomie technologique et d'avantage concurrentiel. »
Cette recherche a été menée en collaboration avec le Dr. Kim Young-oh de l'Institut coréen de recherche sur l'énergie. L'équipe a utilisé des simulations de calcul par principes premiers pour élucider le mécanisme par lequel l'alliage à base d'étain régule le transport des ions lithium au niveau des structures atomique et électronique.