Un matériau nanocomposite unique essentiel pour des batteries de véhicules électriques plus sûres
Une technologie de batterie fiable est essentielle en vue de l’adoption massive des véhicules électriques. Toutefois, il est nécessaire de développer de nouvelles classes de matériaux électrolytes solides afin d’éliminer les inquiétudes liées à la sécurité et de faire progresser la prochaine génération de batteries rechargeables.
Des électrolytes liquides aux électrolytes solides
Dans les batteries lithium-ion traditionnelles, une solution électrolytique permet aux ions de lithium de circuler entre l’anode et la cathode lorsque la batterie est utilisée et lorsqu’elle se recharge. Les ions sont généralement déplacés par un électrolyte liquide. Les efforts déployés pour développer des électrolytes liquides ont toujours échoué sur le plan de la sécurité. Largement utilisé dans les batteries lithium-ion, le carbonate organique peut facilement entraîner une explosion ou un incendie s’il fuit du boîtier. Ces questions de sécurité ont poussé l’industrie à s’intéresser aux batteries solides, qui peuvent être produites en utilisant des matériaux vitrocéramiques inorganiques ou des polymères organiques. «Les matériaux vitrocéramiques inorganiques présentent des conductivités ioniques élevées mais ont des interfaces rigides et sont fragiles», souligne David Mecerreyes, coordinateur du projet eJUMP qui a reçu un financement au titre du programme Actions Marie Skłodowska-Curie. «À l’inverse, les polymères organiques sont dotés des propriétés mécaniques recherchées, mais leur conductivité ionique ne répond pas aux attentes.»
Une nouvelle structure combine le meilleur des deux mondes
Récemment, des chercheurs de l’Institute of Frontier Materials à l’Université de Deakin en Australie ont proposé une nouvelle classe d’électrolytes organiques solides comme candidat de choix pour des batteries solides plus fiables. «Les cristaux plastiques ioniques organiques (OIPC) sont des matériaux cristallins composés de petits ions organiques avec des mouvements moléculaires à courte portée. Cette structure confère aux OIPC plusieurs propriétés uniques comme différentes transitions de phase solide-solide et des propriétés mécaniques plastiques, qui peuvent considérablement améliorer le contact interfacial avec les électrodes et, plus important, faciliter la diffusion des ions», explique David Mecerreyes. Leur travail a également montré que ce type d’électrolytes présente de meilleures propriétés mécaniques et de transport des ions conjointement avec des charges de polymères. La recherche sur le mécanisme sous-jacent de ces électrolytes composites n’en est qu’à ses débuts. «Jusqu’à présent, la recherche s’est concentrée sur les structures nanocomposites qui consistent en liquides ioniques, en nanoparticules et en polymères inorganiques. Nous étions les premiers à combiner des cristaux plastiques ioniques à un nouveau type de nanoparticules de polymères pour des électrolytes solides», note David Mecerreyes. L’équipe a synthétisé des nanoparticules de polymères fonctionnalisées mesurant entre 30 et 500 nm et pourvues de chimies de surface contrôlées pour renforcer les OIPC. Après la synthèse des nanoparticules, les chercheurs se sont intéressés aux propriétés morphologiques et de transport des ions.
L’importance des nanoparticules de polymères
L’utilisation des charges de nanoparticules de polymères représente un changement de paradigme dans les électrolytes composites solides. La plupart des charges de nanoparticules reposent généralement sur des matériaux inorganiques, comme l’alumine ou la silice. La modification de la surface des nanoparticules inorganiques est un processus complexe qui comprend plusieurs étapes. «L’approche d’eJUMP simplifie considérablement le processus de synthèse des nanoparticules; la polymérisation dans des milieux dispersés est un processus en une étape qui permet de contrôler non seulement la taille des nanoparticules mais aussi les groupes fonctionnels attachés à sa surface. En outre, la faible densité des polymères contribue à une meilleure dispersion des charges dans la matrice des OIPC», explique David Mecerreyes. Les récentes avancées dans les électrolytes de polymères solides sont rapportées ici. Un autre document expose comment différentes surfaces de nanoparticules affectent le comportement thermique et les propriétés de transport des ions des OIPC ici.
Mots‑clés
eJUMP, batteries, nanoparticules de polymères, véhicule électrique, électrolyte solide, électrolytes de polymères organiques, cristaux plastiques ioniques organiques
