Laboratoire Christian Doppler pour le solide

Ces dernières années, des recherches intensives ont été menées sur les électrolytes à l'état solide et des matériaux ont été développés qui ont une conductivité ionique similaire à celle des électrolytes liquides. Mais l'objectif en tête était toujours clair. Les batteries à électrolyte solide, telles que celles en céramique, atteignent des densités d'énergie et de puissance immensément plus élevées que les batteries lithium-ion conventionnelles à électrolyte liquide, et seraient également ignifuges. "Les batteries à semi-conducteurs seraient un pas de géant vers l'e-mobilité à l'échelle de la région", souligne Daniel Rettenwander de l'Institut de chimie et de technologie des matériaux de l'Université de technologie de Graz (TU Graz) en Autriche.

Cependant, la mise en œuvre d'électrolytes à l'état solide nouvellement développés dans les batteries lithium-ion a rapidement révélé un problème majeur, comme le décrit le chercheur : « Des résistances élevées se forment aux interfaces, qui empêchent le transport rapide des ions entre les électrodes et entraînent ainsi une perte importante. Dans la plupart des cas, les coupables sont les interfaces entre l'électrolyte à l'état solide et le matériau de l'électrode et entre les particules de l'électrolyte lui-même. » Le nouveau laboratoire Christian Doppler (CD) pour les batteries à semi-conducteurs dirigé par Rettenwander, qui a été ouvert avec le partenaire industriel AVL le 12 novembre 2020, vise à donner un nouvel élan aux ions ralentis.

Pour AVL, ce laboratoire de CD est d'une grande importance. "En tant que développeur de batteries de propulsion innovantes, les résultats de la recherche sont extrêmement précieux pour le développement de futurs modules de batterie basés sur la technologie des batteries à semi-conducteurs", souligne Volker Hennige, responsable du département batteries chez AVL. Ainsi, l'AVL soutient le projet de recherche de sept ans en collaboration avec le secteur public. Le budget du laboratoire de CD avec sept employés s'élève à environ deux millions d'euros. La source de financement public la plus importante est le ministère fédéral des Affaires numériques et économiques (BMDW).

Dr. Margarete Schramböck, ministre fédérale du numérique et des affaires économiques, ajoute : « La coopération entre les entreprises et la science est essentielle pour trouver des solutions durables et réalisables à des défis complexes tels que la crise climatique. Particulièrement pour l'Autriche en tant que site économique, le transfert de connaissances entre les entreprises et les universités a un énorme potentiel pour rester compétitif au niveau international par la mise en œuvre concrète des résultats de la recherche par les entreprises.Je me réjouis donc que le Laboratoire Christian Doppler pour les batteries à semi-conducteurs mène des recherches intensives au cours des sept prochaines années sur ce sujet économique et sujet socialement très pertinent."

Le principal problème avec les batteries à semi-conducteurs sont les inhomogénéités de contact aux différentes interfaces. A des régimes de courant très élevés, ceux-ci conduisent à des pics de courant locaux, ce qui signifie que les ions lithium n'ont plus assez de temps pour se répartir uniformément à l'interface. Dans le cas de l'interface formée entre le lithium métallique et les électrolytes solides, cela conduit à la formation de structures en forme d'aiguilles, appelées dendrites, qui se développent à travers l'électrolyte et, dans le pire des cas, conduisent à un court-circuit et à l'inflammation de la batterie. La perte de contact due au changement de volume du matériau de la cathode pendant les processus de charge et de décharge et la décomposition électrochimique de l'électrolyte à l'état solide à des tensions de cellule élevées en raison de l'instabilité thermodynamique sont d'autres raisons qui entravent actuellement le développement de batteries à l'état solide.

Rettenwander et son équipe se concentrent sur plusieurs approches : "La distribution de la densité de courant aux interfaces peut être homogénéisée, par exemple en introduisant des couches intermédiaires avec des propriétés de transport du lithium finement réglées. De plus, nous voulons tester des méthodes de charge alternatives telles que les méthodes de charge par impulsions. au lieu du courant continu pour obtenir un dépôt de lithium homogène."

Les batteries à semi-conducteurs plus légères offrent une densité d'énergie plus élevée. Une combinaison d'électrolytes à base de céramique et de polymère pourrait être utilisée pour réduire le poids tout en compensant en même temps la perte de contact due à la dilatation du matériau de la cathode pendant la charge et la décharge. "Ce serait le meilleur des deux mondes : la conductivité élevée et la stabilité thermodynamique des électrolytes céramiques combinées aux excellentes propriétés mécaniques et à la facilité de traitement des électrolytes à base de polymères. Cependant, cela crée à son tour de nouvelles interfaces, notamment entre la céramique et le polymère, qui empêcher le transport des ions entre les composants. Pour un transport fluide des ions, des modifications de surface sont nécessaires pour améliorer la liaison entre la céramique et le polymère », explique Daniel Rettenwander. Lors du développement de polymères appropriés et de la modification des surfaces de matériaux céramiques, le laboratoire CD de Rettenwander coopère avec le CD-Laboratory for Organocatalysis in Polymerization de Christian Slugovc, collègue de TU Graz, ainsi qu'avec le groupe de travail du chercheur de TU Graz Gregor Trimmel. Ils ont récemmentrésultats publiés à ce sujet dans la revue scientifique Cell Press Physical Science.

Rettenwander jette un coup d'œil sur le futur proche : "Le développement des batteries à semi-conducteurs est déjà relativement avancé par rapport aux batteries lithium-air ou aux technologies de batteries expérimentales similaires. Il faudra encore un certain temps avant que ce type de batterie soit prêt pour une haute -applications énergétiques, comme dans les véhicules électriques, mais c'est prévisible même ici en Styrie car on trouve déjà des batteries à semi-conducteurs dans des cas isolés comme de petites batteries pour les composants électroniques. Nous connaissons les problèmes concrets, travaillons à plein régime sur des solutions durables dans ce laboratoire CD, entre autres, et nous considérons ainsi comme une rampe de lancement essentielle pour la prochaine génération de systèmes de stockage d'énergie."

Ce laboratoire de CD est ancré dans le domaine d'expertise, la science des matériaux avancés, à l'Université de technologie de Graz.

Au total, 12 laboratoires de CD sont actuellement actifs à l'Université de technologie de Graz. "Les collaborations de recherche avec l'industrie et les entreprises font partie de notre quotidien en tant qu'université entrepreneuriale. Le modèle de financement du laboratoire CD est particulièrement gratifiant, car il réunit des scientifiques exceptionnels avec des entreprises innovantes en termes de recherche fondamentale orientée vers les applications au plus haut niveau." déclare Harald Kainz, recteur de la TU Graz.

Dans les laboratoires Christian Doppler, la recherche fondamentale axée sur les applications est menée à un niveau élevé, avec des scientifiques exceptionnels coopérant avec des entreprises innovantes. La Christian Doppler Research Society (CDG) est considérée à l'échelle internationale comme un exemple de bonne pratique dans la promotion de cette coopération. Les Laboratoires Christian Doppler sont financés conjointement par le secteur public et les entreprises participantes. La source de financement public la plus importante est le ministère fédéral des Affaires numériques et économiques (BMDW). Plus d'informations sur le CDG http://www.cdg.ac.at.

- Ce communiqué de presse a été initialement publié sur le site Web de l'Université de technologie de Graz