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Les nouvelles batteries au lithium métal promettent deux fois plus d'énergie et deux fois moins d'impact environnemental

SciTechDaily

Les batteries au lithium métal, qui peuvent stocker deux fois plus d'énergie que les batteries lithium-ion, sont confrontées à des défis environnementaux en raison de la nécessité d'utiliser des solvants et des sels fluorés. Un groupe de recherche de l'ETH Zurich, dirigé par Maria Lukatskaya, a développé une méthode permettant de réduire la teneur en fluor, améliorant ainsi la stabilité des batteries et les rendant plus écologiques et rentables.

L'ETH Zurich a développé une méthode qui réduit considérablement l'utilisation de fluor dans les batteries au lithium métal, doublant ainsi la capacité de stockage d'énergie tout en améliorant la sécurité et le respect de l'environnement.

Les batteries lithium-métal sont considérées comme les principales candidates pour la prochaine vague de batteries avancées à haute énergie. Elles offrent au moins le double de capacité de stockage d’énergie par unité de volume par rapport aux batteries lithium-ion couramment utilisées. Par conséquent, cette avancée pourrait permettre à un véhicule électrique de parcourir deux fois plus de distance avec une seule charge ou à un smartphone de nécessiter des recharges moins fréquentes.

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 augmente son empreinte écologique. Sans l’ajout de fluor, les batteries lithium métal seraient toutefois instables, cesseraient de fonctionner après très peu de cycles de charge et seraient sujettes aux courts-circuits, à la surchauffe et à l’inflammation. Un groupe de recherche dirigé par Maria Lukatskaya, professeure 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 batteries lithium métal, les rendant ainsi plus respectueuses de l’environnement, plus stables et plus économiques.

Une couche protectrice stable augmente la sécurité et l'efficacité de la batterie

Les composés fluorés des électrolytes contribuent à la formation d’une couche protectrice autour du lithium métallique au niveau de 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 elle, l’électrolyte s’épuiserait rapidement pendant le cycle, la cellule tomberait en panne et l’absence de 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 pour cent en poids de fluor est nécessaire dans l’électrolyte liquide, ce qui est au moins 20 fois moins que dans les études précédentes.

La méthode optimisée rend les 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 Sciences de l'énergie et de l'environnementUne demande de brevet a été déposée.

L’un des plus grands défis a été de trouver la bonne molécule à laquelle le fluor pourrait être fixé 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 batteries 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 telles qu’utilisées dans les smartphones.

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