Conception innovante de la batterie : plus d'énergie et moins d'impact sur l'environnement
Une méthode optimisée rend les piles plus écologiques
Une nouvelle conception d'électrolyte pour les batteries au lithium métal pourrait considérablement augmenter l'autonomie des véhicules électriques. Des chercheurs de l'ETH Zurich ont radicalement réduit la quantité de fluor, nocif pour l'environnement, nécessaire pour stabiliser ces batteries.
Les piles au lithium métal sont parmi les candidats les plus prometteurs de la prochaine génération de piles à haute énergie. Elles peuvent stocker au moins deux fois plus d'énergie par unité de volume que les batteries lithium-ion largement utilisées aujourd'hui. 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 plus besoin d'être rechargé aussi souvent.
À l'heure actuelle, les batteries lithium-métal présentent encore un inconvénient majeur : l'électrolyte liquide nécessite l'ajout de quantités importantes de solvants et de sels fluorés, ce qui accroît leur empreinte environnementale. Or, sans l'ajout de fluor, les batteries lithium-métal seraient instables, elles s'arrêteraient 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 mis au point une nouvelle méthode qui réduit considérablement la quantité de fluor nécessaire dans les piles au lithium métal, les rendant ainsi plus respectueuses de l'environnement, plus stables et plus rentables.
Une couche protectrice stable augmente la sécurité et l'efficacité des batteries
Les composés fluorés de l'électrolyte contribuent à 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 Mme Lukatskaya. "Elle protège le lithium métallique d'une réaction continue avec les composants de l'électrolyte. Sans elle, l'électrolyte s'épuiserait rapidement au cours des cycles, la cellule tomberait en panne et l'absence d'une couche stable entraînerait la formation de moustaches de lithium métallique - des "dendrites" - au cours du processus de recharge au lieu d'une couche plate conforme.
Si ces dendrites venaient à toucher l'électrode positive, cela provoquerait un court-circuit avec le risque que la batterie s'échauffe au point de s'enflammer. La capacité à 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. 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 moins que dans les études précédentes.
Une méthode optimisée pour des batteries plus écologiques
Le groupe de recherche de l'ETH Zurich décrit la nouvelle méthode et ses principes sous-jacents dans un article récemment publié dans la revue Energy & Environmental Science. Une demande de brevet a été déposée. Lukatskaya a effectué cette recherche avec l'aide d'un Starting Grant du FNS.
L'un des plus grands défis a été 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'elle aurait atteint le lithium métal. 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 engendrer de coûts supplémentaires pour modifier l'installation de production. Les piles utilisées dans le laboratoire avaient la taille d'une pièce de monnaie. Dans une prochaine étape, les chercheurs prévoient de tester l'extensibilité de la méthode et de l'appliquer aux piles à poche telles qu'elles sont utilisées dans les smartphones.
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.
Publication originale
Chulgi Nathan Hong, Mengwen Yan, Oleg Borodin, Travis P. Pollard, Langyuan Wu, Manuel Reiter, Dario Gomez Vazquez, Katharina Trapp, Ji Mun Yoo, Netanel Shpigel, Jeremy I. Feldblyum, Maria R. Lukatskaya; "Robust battery interphases from dilute fluorinated cations"; Energy & Environmental Science, Volume 17, 2024
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