Une équipe de recherche coréenne, composée de scientifiques du Korea Institute of Energy Research (KIER) et de l’Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), a récemment présenté les premiers principes de conception universels pour les batteries à état non liquide. Ce développement marque un tournant dans la recherche sur les batteries, un domaine qui manquait jusqu’à présent de normes claires.
Un nouveau cadre pour les batteries à état non liquide
Dr. Jinsoo Kim et Professeur Sung-Kyun Jung, les principaux chercheurs de ce projet, ont mis au point une série de paramètres de conception quantitatifs pour ces batteries. Ces paramètres incluent le seuil d’équilibre, le seuil de percolation et le seuil de charge. Ces principes ont été validés avec succès, permettant la fabrication d’une cellule de type poche qui a atteint une densité énergétique de 310 Wh/kg, surpassant les batteries lithium-ion commerciales.
Avantages des batteries à état non liquide
Les batteries à état non liquide utilisent des électrolytes non inflammables, contrairement aux électrolytes liquides inflammables des batteries lithium-ion, augmentant ainsi la sécurité. De plus, elles permettent d’augmenter considérablement la densité énergétique grâce à un design structuré efficace de la cellule et du système.
Les défis de la conception traditionnelle
Jusqu’à présent, la recherche fondamentale sur ces batteries a produit de nombreux résultats au niveau du laboratoire, mais le développement pratique des électrodes et des cellules était entravé par l’absence de directives scientifiques claires, obligeant les chercheurs à s’appuyer sur leur expérience pour associer des matériaux et contrôler les paramètres de conception.
Les seuils définis par l’équipe de recherche
L’équipe a défini le seuil d’équilibre comme le ratio standard de l’électrolyte remplissant les espaces entre les particules dans une structure de ‘cubic closed packing’, où les particules sphériques sont arrangées à densité maximale. Ce seuil assure un ratio volumique de 74% de matériau actif contre 26% d’électrolyte.
Le seuil de percolation définit la densité minimale nécessaire pour que les particules composites de matériaux actifs et d’électrolytes soient en contact, essentiel pour la conduction des ions lithium.
Enfin, le seuil de charge concerne la conception de l’épaisseur de l’électrode pour optimiser la résistance et la densité de courant afin que la chute de tension reste inférieure à 100 mV.
Le ‘SolidXCell’ : un outil de conception innovant
L’équipe a également développé ‘SolidXCell’, une boîte à outils de conception de batteries à état non liquide, mise à disposition gratuitement pour les chercheurs. Ce toolkit permet une conception intuitive et systématique des batteries complexes à état non liquide, facilitant ainsi le développement et l’optimisation de nouvelles batteries.
Implications pour l’industrie et la recherche
La mise en place des principes universels et du toolkit ‘SolidXCell’ a le potentiel de transformer significativement le domaine de la conception des batteries, permettant aux chercheurs d’améliorer les performances des batteries et de surmonter les barrières technologiques actuelles.
L’équipe de recherche travaille actuellement à établir l’Advanced Battery Engineering Foundry (ABEF), un centre de fabrication, d’évaluation et d’analyse de prototypes pour les batteries à état non liquide, lithium métal et lithium-soufre.
Soutien institutionnel et reconnaissance internationale
Ce projet a été soutenu par le National Research Council of Science & Technology (NST) et la National Research Foundation of Korea (NRF). Les résultats de cette recherche ont été publiés dans le journal international ‘Nature Communications’, reconnaissant ainsi l’impact significatif de ce travail sur la communauté scientifique mondiale.
Ce développement promet de propulser la Corée du Sud au premier rang des nations engagées dans l’avancement des technologies de batteries à état non liquide, renforçant sa compétitivité sur le marché mondial des technologies avancées de batteries.
Source de l'article : https://www.nature.com/articles/s41467-024-50075-9
