Transférer la technologie d’impression pour des couches de batterie au lithium plus sûres

Une équipe de recherche en Corée du Sud a créé un processus d’impression de transfert innovant qui applique des couches minces protectrices aux surfaces de métal lithium, s’attaquant au problème persistant de la dendrite affectant les batteries au lithium-métal de nouvelle génération.

L’équipe du Dr Jungdon Suk au Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT) a appliqué avec succès des couches de protection hybrides en polymères solides et en céramique sur du lithium métal par le biais d’une méthode sans solvant. Ce processus permet un revêtement uniforme sur les régions étendues sans compromettre la surface réactive du lithium, représentant une progression notable vers la faisabilité commerciale, contrairement aux méthodes traditionnelles de revêtement humide.

Les batteries au lithium-métal représentent un dispositif de stockage d’énergie avancé qui remplace le graphite par du lithium métal pour l’anode. Les anodes au lithium-métal offrent dix fois la capacité théorique des batteries au lithium-ion traditionnelles et sont des composants essentiels dans les batteries à l’état solide et au lithium-soufre qui nécessitent une densité d’énergie élevée. Le potentiel de croissance de la dendrite pendant les cycles de charge et de décharge présente des risques de sécurité, tels que les court-circuites et les dangers du feu, tout en diminuant la longévité de la batterie. De plus, les méthodes de revêtement humide conventionnelles qui utilisent des solvants organiques introduisent des contaminants et de la dégradation de la surface, compliquant la fabrication et la commercialisation à grande échelle.

Pour résoudre ces problèmes, l’équipe d’étude a créé deux variétés de couches de protection: une double couche composée d’alumine (al₂o₃) et d’or (Au), et une couche hybride intégrant des éléments céramique (al-llzo) et polymère. Ces couches protectrices ont ensuite été stratifiées sur du lithium métal avec une approche d’impression de transfert basée sur le roulis, représentant la démonstration inaugurale de cette méthode dans ce domaine. Cette technologie crée une couche protectrice sur un substrat distinct et la transfère par la suite au lithium par pression, évitant ainsi la nécessité de solvants et réduisant les dommages au lithium tout en améliorant l’uniformité et la reproductibilité des processus.

Des recherches antérieures ont démontré que la double couche al₂o₃ – a inhibait avec succès la formation de dendrite et assurait un cycle constant en utilisant la résistance mécanique et en minimisant la résistance interfaciale. Cette étude a été la première à présenter l’impression de transfert comme remède pour l’instabilité de l’interface et les contraintes du revêtement humide.

L’équipe de recherche a maintenant développé un moyen de transférer des revêtements de protection hybrides conducteurs ioniques et conducteurs sur une superficie de 245 × 50 mm avec une épaisseur de seulement 5 μm. Ces couches hybrides inhibent la formation de dendrite et favorisent un flux de lithium-ion uniforme à l’interface entre l’électrode et l’électrolyte, facilitant les performances de cyclisme constantes. L’application cohérente de couches protectrices étendues valide à la fois les progrès technologiques et l’évolutivité à usage commercial.

Dans les évaluations des cellules de la poche, l’anode au lithium protégé par hybride a présenté 81,5% de rétention de capacité après 100 cycles de charge / décharge, caractérisés par un faible surploitant de 55,34 mV et une efficacité coulombique élevée de 99,1%, démontrant plus de deux fois la stabilité de cellules de lithium non protégées. Même dans des réglages élevés qui épuisent complètement la batterie en 9 minutes, les cellules ont maintenu 74,1% de leur capacité d’origine, présentant des propriétés de cyclisme rapides, stables et efficaces.

L’équipe prévoit que cette invention peut accélérer la mise en œuvre réelle de batteries au lithium-métal dans des applications à haute énergie, y compris les véhicules électriques et les systèmes de stockage d’énergie (ESS). De plus, la technologie peut englober les batteries à l’état solide et au lithium-soufre, améliorant ainsi le développement de systèmes de batterie de nouvelle génération.

«Cette étude combine de nouveaux matériaux de protection et un processus d’impression de transfert évolutif pour surmonter les défis critiques de l’instabilité interfaciale et des limites de traitement humide dans les batteries au lithium-métal», a déclaré le Dr Suk. Le président de KRICT, le Dr Young-Kuk Lee, a ajouté: «Cela représente l’une des solutions les plus pratiques pour permettre des batteries au lithium-métal à haute densité et pourrait stimuler la compétitivité de la Corée dans l’industrie mondiale des batteries.»

Cette étude a été publiée dans l’International Journal Energy Storage Materials (IF: 20.2), avec deux publications distinctes sur le film hybride Al₂o₃ – Au et le film hybride céramique-polymère, publié respectivement en février et juillet 2025.

KRICT est un institut de recherche financé par le gouvernement en Corée du Sud, faisant progresser les technologies chimiques depuis 1976. Elle se concentre sur les défis mondiaux en chimie et en génie. Plus sur https://www.krict.re.kr/eng.

Financement: NST Global Top Strategy Project (GTL24011-000) et KRICT R&D interne.