Un oxyhalogénure mécanochimiquement désordonné révèle une conductivité superionique
| Jerry Huang
Note de la rédaction : Les électrolytes solides sont l’élément clé des batteries lithium-ion tout-solide (ASSLB). Grâce à leur sécurité intrinsèque, les batteries tout-solide constituent une solution de stockage d’énergie très prometteuse, mais leur développement repose sur des avancées majeures dans le domaine des électrolytes solides. Trois grandes familles sont actuellement disponibles : les électrolytes inorganiques (oxydes, sulfures et halogénures), les électrolytes polymères organiques (le plus souvent le poly(oxyde d’éthylène), PEO) et les systèmes composites qui intègrent les deux. Voici une nouvelle étude menée par l’équipe de Jean-Marie Tarascon au Collège de France . Les électrolytes solides inorganiques combinent une conductivité ionique élevée, une excellente stabilité thermique et un nombre de transport Li⁺ élevé ; ils suscitent donc un intérêt croissant et sont considérés comme la pierre angulaire du développement des électrolytes solides composites. L'expérimentation et les calculs attribuent le transport superionique au désordre des dimères [Ta₂OCl₁₀]²⁻, à une réduction de la barrière de migration des ions Li⁺ et à une connectivité spatiale accrue des voies de diffusion de ces ions. Les cellules complètes NMC811 à électrolyte bicouche supportent plus de 700 cycles à 1C, tout en soulignant une limitation pratique de ce matériau : sa stabilité réductrice insuffisante, qui nécessite une protection interfaciale de l'anode. Une étude antérieure menée par l'équipe de l'académicien Xueliang Sun à l'Institut de technologie de Ningbo avait révélé une conductivité ionique élevée grâce à l'utilisation d'un autre cristal, Li₃Ta₃O₄Cl₁₀, dans une structure oxyhalogénure. Nous remercions tous les chercheurs qui ont contribué à l'élaboration de conducteurs superioniques prometteurs pour les batteries à électrolyte solide.
Abstrait
Les batteries lithium-métal tout-solide (ASSB) offrent une voie prometteuse pour dépasser les limites de densité énergétique de la technologie lithium-ion conventionnelle. Cependant, leur commercialisation est freinée par l'instabilité interfaciale, la dégradation chimio-mécanique et la faible conductivité ionique des électrolytes solides actuels, ce qui motive la recherche de nouveaux conducteurs ioniques rapides, notamment parmi les oxyhalogénures de lithium. Nous présentons ici un nouvel oxychlorure de lithium et de tantale, Li₂Ta₂OCl₁₀, synthétisé par une méthode simple à basse température. Ce matériau cristallise dans une structure triclinique composée de dimères [Ta₂OCl₁₀]²⁻ isolés et présente une conductivité ionique de 0,002 mS·cm⁻¹ à température ambiante. Le broyage à billes améliore considérablement le transport des ions Li⁺, augmentant la conductivité d'un facteur 5000 pour atteindre 11 mS·cm⁻¹, tout en réduisant l'énergie d'activation de 0,46 à 0,27 eV. Des analyses structurales, spectroscopiques et computationnelles combinées révèlent que cette amélioration provient de la formation d'un sous-réseau Li+ fortement désordonné, de type liquide. Li2Ta2OCl10 présente en outre une fenêtre de stabilité de 1,89 à 3,70 V vs. LixIn et permet la réalisation de batteries à électrolyte solide (ASSB) à faible polarisation et à excellente rétention de capacité (700 cycles à 1C avec une dégradation inférieure à 20 %). Ces résultats font de Li2Ta2OCl10 un conducteur superionique prometteur et soulignent le potentiel de la famille Li–M–O–Cl pour la conception d'électrolytes solides de nouvelle génération.
Références
https://doi.org/10.1002/aenm.71736
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt9678