Les électrolytes sont des substances qui conduisent les ions. Ils sont utilisés comme composants des batteries, sous forme liquide ou solide. La forme liquide est généralement privilégiée car elle offre une meilleure conductivité ionique, et permet donc de délivrer une puissance plus importante. Malheureusement, elle présente un risque élevé de court-circuit, ce qui peut occasionner des feux ou explosions. A l'inverse, les électrolytes solides, plus sûrs, permettent l'utilisation de lithium métal à l'anode, offrant une densité en énergie plus importante. Toutefois, les électrolytes solides présentent généralement une plus faible conductivité ionique, notamment à température ambiante, diminuant la puissance pouvant être délivrée.
Afin de développer des batteries tout-solide à la fois sûres et performantes, de nombreuses recherches visent à améliorer la conductivité ionique des électrolytes solides. Mais une approche innovante, imaginé dans le Laboratoire Léon Brillouin (CEA-IRAMIS), propose de faciliter le transfert des ions en confinant l'électrolyte dans des nanotubes de carbone.
Une nanostructure de carbone pour augmenter la conductivité de l'électrolyte
En confinant des électrolytes à base de liquide ionique dans des nanotubes de carbones puis en les alignant perpendiculairement aux deux électrodes de la batterie, les chercheurs du LLB ont constaté un transfert facilité des ions le long des axes des tubes (voir figure en haut). Cette organisation spécifique de l'électrolyte, est dite en « confinement unidimensionnel (1D) » car les nanotubes combinent un alignement macroscopique 1D et une taille de confinement de 5 nm de diamètre.
Afin de développer le concept, une collaboration a été mise en place avec le CEA-LITEN dans un premier temps, rejoins par la suite par le laboratoires SyMMES (CEA-IRIG, CNRS, UGA, Grenoble INP) et l'Institut de Chimie Radicalaire (AMU). Ce consortium a ainsi permis de comprendre les phénomènes en jeu grâce à une étude multi-technique.
Pour le moment, le résultat des recherches est un gain net de conductivité ionique avec un facteur supérieur à 10 ainsi qu'un décalage de la température de fonctionnement de 15 à 20°C vers les basses températures. Des avantages déjà décisifs, notamment pour des applications en extérieur. Plusieurs brevets ont été déposés sur les différentes améliorations technologiques apportées à la conception de ces batteries.