Une batterie de véhicule électrique pour toutes les saisons
Un nouvel électrolyte pour les batteries lithium-ion fonctionne bien dans les régions et les saisons froides
De nombreux propriétaires de véhicules électriques s'inquiètent de l'efficacité de leur batterie par temps très froid. Aujourd'hui, une nouvelle chimie des batteries pourrait avoir résolu ce problème.
Une nouvelle composition d'électrolyte contenant du fluor promet de maintenir des performances de charge élevées pour les futurs véhicules électriques, même à des températures inférieures à zéro (image symbolique).
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Dans les batteries lithium-ion actuelles, le principal problème réside dans l'électrolyte liquide. Ce composant clé de la batterie transfère des particules porteuses de charge, appelées ions, entre les deux électrodes de la batterie, ce qui entraîne la charge et la décharge de la batterie. Mais le liquide commence à geler à des températures inférieures à zéro. Cette situation limite considérablement l'efficacité de la recharge des véhicules électriques dans les régions et les saisons froides.
Pour résoudre ce problème, une équipe de scientifiques des laboratoires nationaux Argonne et Lawrence Berkeley du ministère américain de l'énergie (DOE) a mis au point un électrolyte contenant du fluor qui fonctionne bien même à des températures inférieures à zéro.
"Notre recherche a ainsi démontré comment adapter la structure atomique des solvants d'électrolyte afin de concevoir de nouveaux électrolytes pour les températures inférieures à zéro". - John Zhang, chef de groupe à Argonne
"Notre équipe a non seulement trouvé un électrolyte antigel dont les performances de charge ne diminuent pas à moins 4 degrés Fahrenheit, mais nous avons également découvert, au niveau atomique, ce qui le rend si efficace", a déclaré Zhengcheng "John" Zhang, chimiste principal et chef de groupe dans la division des sciences chimiques et de l'ingénierie d'Argonne.
Cet électrolyte à basse température promet de fonctionner pour les batteries des véhicules électriques, ainsi que pour le stockage de l'énergie dans les réseaux électriques et l'électronique grand public, comme les ordinateurs et les téléphones.
Dans les batteries lithium-ion actuelles, l'électrolyte est un mélange d'un sel largement disponible (hexafluorophosphate de lithium) et de solvants carbonatés tels que le carbonate d'éthylène. Les solvants dissolvent le sel pour former un liquide.
Lorsqu'une batterie est chargée, l'électrolyte liquide transporte les ions lithium de la cathode (un oxyde contenant du lithium) à l'anode (graphite). Ces ions migrent hors de la cathode, puis traversent l'électrolyte en direction de l'anode. Pendant leur transport dans l'électrolyte, ils se trouvent au centre de groupes de quatre ou cinq molécules de solvant.
Pendant les quelques charges initiales, ces amas frappent la surface de l'anode et forment une couche protectrice appelée interphase solide-électrolyte. Une fois formée, cette couche agit comme un filtre. Elle ne laisse passer que les ions lithium tout en bloquant les molécules de solvant. L'anode est ainsi capable de stocker les atomes de lithium dans la structure du graphite en charge. Lors de la décharge, des réactions électrochimiques libèrent les électrons du lithium qui génèrent de l'électricité pouvant alimenter les véhicules.
Le problème est que, par temps froid, l'électrolyte contenant des solvants carbonatés commence à geler. Il perd alors sa capacité à transporter les ions lithium dans l'anode lors de la charge. Cela s'explique par le fait que les ions lithium sont étroitement liés aux groupes de solvants. Par conséquent, ces ions ont besoin d'une énergie beaucoup plus élevée qu'à température ambiante pour évacuer leurs grappes et pénétrer dans la couche d'interface. C'est pourquoi les scientifiques ont cherché un meilleur solvant.
L'équipe a étudié plusieurs solvants contenant du fluor. Elle a pu identifier la composition qui présentait la barrière énergétique la plus faible pour libérer les ions lithium des grappes à une température inférieure à zéro. Ils ont également déterminé à l'échelle atomique pourquoi cette composition particulière fonctionnait si bien. Cela dépendait de la position des atomes de fluor dans chaque molécule de solvant et de leur nombre.
Lors de tests effectués sur des cellules de laboratoire, l'électrolyte fluoré de l'équipe a conservé une capacité de stockage d'énergie stable pendant 400 cycles de charge-décharge à moins 4 F. Même à cette température inférieure à zéro, la capacité était équivalente à celle d'une cellule dotée d'un électrolyte conventionnel à base de carbonate à température ambiante.
"Notre recherche a donc démontré comment adapter la structure atomique des solvants d'électrolyte afin de concevoir de nouveaux électrolytes pour les températures inférieures à zéro", a déclaré M. Zhang.
L'électrolyte antigel possède une propriété supplémentaire. Il est beaucoup plus sûr que les électrolytes à base de carbonate actuellement utilisés, car il ne s'enflamme pas.
"Nous avons déposé un brevet pour notre électrolyte à basse température et plus sûr, et nous recherchons actuellement un partenaire industriel pour l'adapter à l'une de ses conceptions de batteries lithium-ion", a déclaré M. Zhang.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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