Les batteries au lithium-ion peuvent présenter un risque en raison du liquide hautement inflammable qu'elles contiennent. Toutefois, ce liquide électrolytique pourrait être remplacé à l'avenir par un solide à la fois incombustible et résistant à la chaleur. Outre l'amélioration sur le plan de la sécurité, des performances plus élevées et une durée de vie plus longue seraient les principaux avantages de ces batteries.

L'équipe de recherche de Yaroslav Romanyuk à l'Empa se concentre sur les technologies à couche mince pour le développement de ces nouvelles batteries à semi-conducteurs. L'électrolyte d'une telle batterie doit remplir diverses conditions : Il doit avoir une très bonne conductivité pour les ions de lithium et en même temps pouvoir être produit à l'échelle industrielle à un prix aussi bas que possible.

Ce film en céramique ultra-fin pourrait signifier la prochaine étape dans le développement d'une batte-rie à couche mince haute performance. Image: Empa

Le composé céramique LI₇La₃Zr₂O₁₂ (ou LLZO en abrégé) possède les propriétés appropriées à cet effet et a fait l'objet du projet de recherche de Jordi Sastre, doctorant à l'Empa. Jusqu'à présent, cette céramique a été produite à des fins de recherche sous forme de "boulettes", dont la taille est limitée à quelques centimètres de diamètre. Pour être utilisées dans des piles, ces pastilles doivent d'abord être polies minutieusement - un processus qui prend du temps et qui est associé à de fortes pertes de matière. Cette méthode est donc inadaptée à la production industrielle.

Une fine couche de LLZO serait la solution et aurait également l'avantage que les ions de lithium peuvent circuler plus rapidement à travers la couche d'électrolyte - et donc augmenter la performance de la batterie. En utilisant une méthode appelée pulvérisation magnétron, Jordi Sastre a maintenant réussi à produire la céramique LLZO sous la forme d'un film ultrafin. L'épaisseur de ce film est de l'ordre de 500 nanomètres. À titre de comparaison, le diamètre d'un cheveu humain est compris entre 40 000 et 100 000 nanomètres, ce qui signifie que ce dernier est environ 100 fois plus épais.

La céramique LLZO est intégrée dans ces batteries de test. Il existe un énorme potentiel pour l'électro-nique de tous les jours. Image: Empa

Les mesures effectuées sur la couche de matériau ultrafine ont montré une conductivité nettement plus élevée par rapport aux matériaux connus précédemment. Des micro batteries à l'état solide à base d'oxynitrure de lithium-phosphore (LiPON), un matériau amorphe semblable au verre, sont déjà disponibles aujourd'hui. La conductivité de la couche mince LLZO développée à l'Empa dépasse de plus de cent fois la conductivité des couches LiPON.

Dans leurs travaux, les chercheurs de l'Empa ont toujours gardé à l'esprit le concept de production simple et à grande échelle du microfilm LLZO. Les fines couches peuvent être produites à des températures de 600 à 700 degrés Celsius, alors que les granulés LLZO connus à ce jour nécessitent plus de 1100 degrés Celsius. Cela rend le processus plus rapide, moins cher et plus fiable.

Dans une étape suivante, les chercheurs ont déjà pu tester le matériau dans une version de laboratoire d'une batterie à couche mince. Et en effet, le nouveau film mince LLZO a également montré une conductivité beaucoup plus élevée dans cette batterie de test que les batteries LiPON connues auparavant.

Les piles à l'état solide LLZO sont particulièrement intéressantes pour les petits appareils nécessitant une forte puissance, par exemple dans l'électronique grand public ou les appareils IoT. La conception en couche mince des batteries à semi-conducteurs promet des temps de charge plus courts et une durée de vie plus longue que les batteries lithium-ion à électrolyte liquide actuelles.