Électrolytes solides composites à base de nanofibres pour batteries à l'état solide : des fondamentaux aux applications
Contexte académique
Avec le développement rapide des appareils électroniques portables et des véhicules électriques, la demande pour des technologies de stockage d’énergie haute performance ne cesse de croître. Les batteries lithium-ion (LIBs), en tant que technologie de stockage d’énergie dominante, font toujours face à des défis en termes de densité d’énergie et de sécurité. En particulier, lors de l’utilisation d’électrolytes organiques liquides, la croissance de dendrites de lithium et l’inflammabilité des électrolytes posent des risques de sécurité importants. Pour résoudre ces problèmes, les batteries à l’état solide (SSBs) ont émergé. Les SSBs utilisent des électrolytes solides (SSEs) pour remplacer les électrolytes liquides, offrant une sécurité accrue et un potentiel d’amélioration de la densité d’énergie. Cependant, les électrolytes solides traditionnels présentent des limitations en termes de conductivité ionique et de propriétés mécaniques, ce qui restreint leur application pratique.
Les électrolytes solides composites (CSEs), en dispersant des charges et des sels dans une matrice polymère, combinent les avantages des électrolytes polymères et inorganiques, devenant ainsi un sujet de recherche brûlant dans le domaine des batteries à l’état solide. Cependant, les CSEs traditionnels sont toujours confrontés à des problèmes de distribution non uniforme des charges et de phénomènes d’agglomération, ce qui peut entraver le transport ionique. Les nanofibres (nanofibers, NFs), grâce à leur structure à longue portée, leur grande surface spécifique et leur rapport d’aspect élevé, sont considérées comme pouvant significativement améliorer les performances des CSEs. Cet article passe en revue les progrès récents dans les électrolytes solides composites basés sur les nanofibres et explore leur potentiel d’application dans les batteries à l’état solide.
Source de l’article
Cet article a été co-écrit par An-Giang Nguyen, Trang Thi Vu, Hang T. T. Le, Rakesh Verma, Phi Long Nguyen, Viet Bac T. Phung et Chan-Jin Park. Les auteurs proviennent de plusieurs institutions de recherche, notamment la Chonnam National University (Corée du Sud), VinUniversity (Vietnam), la Hanoi University of Science and Technology (Vietnam) et l’University of Allahabad (Inde). L’article a été accepté le 22 décembre 2024 et publié dans la revue Advanced Fiber Materials, avec le DOI 10.1007/s42765-024-00508-3.
Contenu principal de l’article
1. Bases des électrolytes solides composites
Les électrolytes solides composites (CSEs) sont composés d’une matrice polymère, de charges et de sels de lithium. Les charges peuvent être des matériaux inorganiques (comme les oxydes, les sulfures) ou des polymères (comme l’oxyde de polyéthylène, PEO). La conception des CSEs vise à combiner la flexibilité des électrolytes polymères et la conductivité ionique élevée des électrolytes inorganiques. Cependant, la distribution non uniforme des charges et les phénomènes d’agglomération dans les CSEs traditionnels limitent leurs performances. Les nanofibres, en tant que nouvelles charges, grâce à leur grande surface spécifique et à leur rapport d’aspect élevé, peuvent fournir des chemins de transport ionique continus, améliorant ainsi significativement les performances des CSEs.
2. Conception et synthèse des nanofibres
Les méthodes de synthèse des nanofibres incluent l’électrofilage, la méthode par modèle, la méthode par dépôt, la filature centrifuge et la filature par soufflage de solution. L’électrofilage est la technique la plus couramment utilisée pour la fabrication de nanofibres, étirant une solution polymère en fibres sous un champ électrique à haute tension. La méthode par modèle utilise des modèles sacrificiels pour fabriquer des fibres inorganiques, adaptée à la production à grande échelle. Les méthodes de dépôt (comme le dépôt chimique en phase vapeur, CVD) permettent un contrôle précis de la taille et de la morphologie des fibres. La filature centrifuge et la filature par soufflage de solution offrent une plus grande efficacité de production et une plus grande flexibilité.
3. Fabrication des électrolytes solides composites à base de nanofibres
Les méthodes de fabrication des électrolytes solides composites à base de nanofibres incluent principalement la méthode d’infiltration et la polymérisation in situ. La méthode d’infiltration consiste à infiltrer une solution d’électrolyte polymère ou inorganique dans un réseau de nanofibres pour former une membrane d’électrolyte dense. La polymérisation in situ consiste à infiltrer des monomères dans les nanofibres et à déclencher une réaction de polymérisation par la chaleur ou la lumière pour former un électrolyte solide. Ces méthodes permettent de préserver la structure unique des nanofibres tout en améliorant la conductivité ionique et les propriétés mécaniques de l’électrolyte.
4. Applications des électrolytes solides composites à base de nanofibres
Les applications des électrolytes solides composites à base de nanofibres dans les batteries à l’état solide se manifestent principalement dans les aspects suivants : - CSEs à base de nanofibres polymères : Les nanofibres polymères (comme le polyacrylonitrile, PAN) en tant que matériaux de renforcement peuvent améliorer la résistance mécanique et la conductivité ionique de l’électrolyte. Par exemple, l’électrolyte PAN-PEO/LiTFSI montre de bonnes performances de cyclage à 60°C. - CSEs à base de nanofibres inorganiques : Les nanofibres inorganiques (comme LLTO, LLZO) en tant que charges actives peuvent fournir des chemins supplémentaires de transport ionique. Par exemple, l’électrolyte LLTO-PEO montre une conductivité ionique élevée et une bonne stabilité électrochimique à température ambiante. - CSEs à base de nanofibres composites : Les nanofibres composites combinent les avantages des matériaux polymères et inorganiques, permettant d’améliorer davantage les performances globales de l’électrolyte. Par exemple, l’électrolyte PAN/LLZTO-PEO montre une excellente stabilité de cyclage et une capacité de décharge élevée à 60°C.
5. Interface entre les électrolytes solides composites à base de nanofibres et les électrodes
Le contact entre l’électrolyte et les électrodes dans les batteries à l’état solide est un facteur clé influençant les performances de la batterie. Les électrolytes solides composites à base de nanofibres, grâce à leur structure de réseau unique, peuvent améliorer le contact entre l’électrolyte et les électrodes, réduisant la résistance interfaciale. Par exemple, des méthodes de compression thermique ou de polymérisation in situ permettent d’obtenir un contact étroit entre l’électrolyte et les électrodes, améliorant ainsi les performances de cyclage et la stabilité de la batterie.
Signification et valeur de l’article
Cet article passe en revue de manière systématique les progrès de la recherche sur les électrolytes solides composites à base de nanofibres, explorant en détail leur conception, synthèse, fabrication et application. Les nanofibres, en tant que nouvelles charges, peuvent significativement améliorer la conductivité ionique et les propriétés mécaniques des électrolytes solides composites, offrant de nouvelles perspectives pour résoudre les problèmes clés des batteries à l’état solide. Les recherches présentées dans cet article fournissent des directives théoriques et un soutien technique pour le développement de batteries à l’état solide haute performance, ayant une importance scientifique et une valeur applicative significatives.
Points forts de la recherche
- Application des nanofibres : Les nanofibres, grâce à leur grande surface spécifique et à leur rapport d’aspect élevé, peuvent fournir des chemins de transport ionique continus, améliorant significativement les performances des électrolytes solides composites.
- Diverses méthodes de fabrication : L’électrofilage, la méthode par modèle, la méthode par dépôt et d’autres méthodes de fabrication de nanofibres offrent des options flexibles pour le développement des électrolytes solides composites.
- Optimisation de l’interface : Les méthodes d’infiltration et de polymérisation in situ permettent d’obtenir un contact étroit entre l’électrolyte et les électrodes, réduisant la résistance interfaciale et améliorant les performances de la batterie.
Conclusion
En passant en revue de manière exhaustive les électrolytes solides composites à base de nanofibres, cet article démontre leur énorme potentiel d’application dans les batteries à l’état solide. Les recherches futures pourraient explorer davantage la conception de la structure des nanofibres et l’optimisation de l’interface pour réaliser des batteries à l’état solide de performances encore plus élevées.