La nouvelle méthode utilise des cations fluorés comme véhicule pour transporter le fluor vers la couche protectrice. Ainsi, la couche protectrice reste stable, l’utilisation de fluor est minimisée, les coûts de production sont réduits et la batterie est plus durable. Crédit : ETH Zurich / Chulgi Nathan Hong
Un nouveau type d’électrolyte pour les batteries lithium-métal pourrait considérablement améliorer l’autonomie des véhicules électriques. Des chercheurs de l’ETH Zurich ont réduit de manière radicale la quantité de fluor nocif pour l’environnement nécessaire à la stabilisation de ces batteries.
Les batteries lithium-métal comptent parmi les candidates les plus prometteuses pour la prochaine génération de batteries à haute énergie. Elles peuvent stocker au moins deux fois plus d’énergie par unité de volume que les batteries lithium-ion, aujourd’hui largement utilisées. Cela signifie par exemple qu’une voiture électrique pourra parcourir deux fois plus de distance avec une seule charge ou qu’un smartphone n’aura pas besoin d’être rechargé aussi souvent.
À l’heure actuelle, les batteries au lithium métal présentent encore un inconvénient crucial : l’électrolyte liquide nécessite l’ajout de quantités importantes de solvants fluorés et de sels fluorés, ce qui augmente son empreinte environnementale.
Cependant, sans l’ajout de fluor, les batteries au lithium métal seraient instables, elles cesseraient de fonctionner après très peu de cycles de charge et seraient sujettes aux courts-circuits ainsi qu’à la surchauffe et à l’inflammation.
Un groupe de recherche dirigé par Maria Lukatskaya, professeur de systèmes énergétiques électrochimiques à l’ETH Zurich, a désormais développé une nouvelle méthode qui réduit considérablement la quantité de fluor nécessaire dans les batteries au lithium métal, les rendant ainsi plus respectueuses de l’environnement, plus stables et plus rentables.
Le travail est publié dans la revue Sciences de l’énergie et de l’environnementUne demande de brevet a été déposée.
Une couche protectrice stable augmente la sécurité et l’efficacité de la batterie
Les composés fluorés de l’électrolyte favorisent la formation d’une couche protectrice autour du lithium métallique à l’électrode négative de la batterie.
« Cette couche protectrice peut être comparée à l’émail d’une dent », explique Lukatskaya. « Elle protège le lithium métallique de la réaction continue avec les composants de l’électrolyte. »
Sans cela, l’électrolyte s’épuiserait rapidement pendant le cyclage, la cellule tomberait en panne et l’absence d’une couche stable entraînerait la formation de moustaches de lithium métallique (des « dendrites ») pendant le processus de recharge au lieu d’une couche plate conforme.
Si ces dendrites touchent l’électrode positive, cela provoquerait un court-circuit avec le risque que la batterie chauffe au point de s’enflammer. La capacité de contrôler les propriétés de cette couche protectrice est donc cruciale pour les performances de la batterie. Une couche protectrice stable augmente l’efficacité, la sécurité et la durée de vie de la batterie.
Minimiser la teneur en fluor
« La question était de savoir comment réduire la quantité de fluor ajoutée sans compromettre la stabilité de la couche protectrice », explique Nathan Hong, doctorant. La nouvelle méthode du groupe utilise l’attraction électrostatique pour obtenir la réaction souhaitée. Ici, des molécules fluorées chargées électriquement servent de véhicule pour transporter le fluor vers la couche protectrice.
Cela signifie que seulement 0,1 % en poids de fluor est nécessaire dans l’électrolyte liquide, ce qui est au moins 20 fois inférieur à celui des études précédentes.
Une méthode optimisée rend les batteries plus écologiques
L’un des plus grands défis était de trouver la bonne molécule à laquelle le fluor pourrait être attaché et qui se décomposerait à nouveau dans les bonnes conditions une fois qu’il aurait atteint le métal lithium.
Comme l’explique le groupe, l’un des principaux avantages de cette méthode est qu’elle peut être intégrée de manière transparente dans le processus de production de batteries existant sans générer de coûts supplémentaires pour modifier la configuration de production.
Les piles utilisées en laboratoire avaient la taille d’une pièce de monnaie. Dans une prochaine étape, les chercheurs prévoient de tester l’évolutivité de la méthode et de l’appliquer aux cellules à poche utilisées dans les smartphones.
Plus d’information:
Chulgi Nathan Hong et al., Interphases de batterie robustes à partir de cations fluorés dilués, Sciences de l’énergie et de l’environnement (2024). DOI: 10.1039/D4EE00296B
Citation:Une nouvelle conception d’électrolyte augmente l’autonomie des batteries au lithium métal tout en minimisant la teneur en fluor (2024, 5 juillet) récupéré le 5 juillet 2024 à partir de
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