Le microscope électronique à balayage CIQTEK permet une avancée majeure dans la recherche sur les batteries à l'état solide menée par Tsinghua SIGS, publiée dans Nature.

Les batteries lithium-métal à l'état solide (SSLMB) sont largement reconnues comme la source d'énergie de nouvelle génération pour les véhicules électriques et le stockage d'énergie à grande échelle, offrant une densité énergétique élevée et une sécurité optimale. Cependant, leur commercialisation a longtemps été freinée par la faible conductivité ionique des électrolytes solides et la faible stabilité interfaciale à l'interface solide-solide entre les électrodes et l'électrolyte. Malgré des progrès significatifs en matière d'amélioration de la conductivité ionique, la défaillance interfaciale sous forte densité de courant ou à basse température demeure un obstacle majeur.

Une équipe de recherche dirigée par le professeur Feiyu Kang, le professeur Yanbing He, le professeur agrégé Wei Lü et le professeur adjoint Tingzheng Hou de l'Institut de recherche sur les matériaux de l'École doctorale internationale Tsinghua de Shenzhen (SIGS), en collaboration avec le professeur Quanhong Yang de l'Université de Tianjin, a proposé un nouveau concept de conception d'une interface électrolyte solide (SEI) ductile pour relever ce défi. Leur étude, intitulée « Une interface électrolyte solide ductile pour batteries à l'état solide » , a été récemment publié dans Nature .

Le MEB à émission de champ CIQTEK permet une caractérisation d'interface haute résolution

Dans cette étude, l'équipe de recherche a utilisé Microscope électronique à balayage à émission de champ CIQTEK ( SEM4000X ) pour caractérisation microstructurale de l'interface solide-solide. Le MEB-FE de CIQTEK a fourni imagerie haute résolution et excellent contraste de surface , permettant aux chercheurs d'observer précisément l'évolution morphologique et l'intégrité interfaciale au cours des cycles électrochimiques.

Ductile SEI : une nouvelle voie au-delà de la « force seule » Paradigme

Les interfaces électrolyte solide (IES) traditionnelles, riches en composés inorganiques, bien que mécaniquement rigides, ont tendance à se fracturer de manière fragile lors des cycles de charge/décharge, ce qui entraîne la croissance de dendrites de lithium et une cinétique interfaciale médiocre. L'équipe de Tsinghua a rompu avec le paradigme de la « résistance uniquement » en mettant l'accent sur la « ductilité » comme critère de conception clé pour les matériaux d'IES. En utilisant le rapport de Pugh (B/G ≥ 1,75) comme indicateur de ductilité et un criblage assisté par intelligence artificielle, ils ont identifié le sulfure d'argent (Ag₂S) et le fluorure d'argent (AgF) comme des composants inorganiques prometteurs présentant une déformabilité supérieure et de faibles barrières à la diffusion des ions lithium.

S’appuyant sur ce concept, les chercheurs ont mis au point un électrolyte solide composite organique-inorganique contenant des additifs AgNO₃ et des charges Ag/LLZTO (Li₆.₇₅La₃Zr₁.₅Ta₀.₅O₁₂). Lors du fonctionnement de la batterie, une réaction de déplacement in situ a transformé les composants fragiles Li₂S/LiF de l’interface électrolyte solide (SEI) en couches ductiles Ag₂S/AgF, formant une structure SEI à gradient de dureté (« mou à l’extérieur, solide à l’intérieur »). Cette conception multicouche dissipe efficacement les contraintes interfaciales, maintient l’intégrité structurelle dans des conditions extrêmes et favorise un dépôt uniforme de lithium.

Figure 1. Illustration schématique du criblage des composants et du mécanisme fonctionnel de l'interface électrolyte solide ductile lors du cyclage de la batterie à l'état solide.

Figure 2. Analyse structurale et compositionnelle de l'interface solide ductile riche en matières inorganiques.

Performances électrochimiques exceptionnelles

Grâce à cette interface électrolyte solide ductile, les batteries à l'état solide ont démontré une stabilité électrochimique remarquable :

• Plus de 4 500 heures de cyclage stable à 15 mA cm⁻² et 15 mAh cm⁻² à température ambiante.

• Plus de 7 000 heures de cyclage stable à −30 °C sous 5 mA cm⁻².

• Les cellules complètes associées à des cathodes LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂ (NCM811) ont présenté d'excellentes performances à haut débit (20 C) et à basse température.

Figure 3. Déformabilité plastique exceptionnelle et stabilité mécanique du SEI ductile riche en inorganiques.

Une stratégie révolutionnaire pour l'ingénierie des interfaces dans les batteries à l'état solide

Cette recherche propose un nouveau cadre théorique et pratique pour la conception de structures SEI idéales, constituant une avancée significative vers des batteries à l'état solide commercialement viables. En combinant ductilité mécanique et conductivité ionique élevée, cette étude ouvre de nouvelles perspectives dans la conception d'électrolytes solides et de matériaux d'interface.

Référence:
Kang, FY, He, YB, Lü, W., Hou, TZ, Yang, QH, et al. (2025). Une interface électrolyte solide ductile pour les batteries à l'état solide. Nature.
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09675-8