Un nouvel électrolyte contenant du fluor ouvre la voie à des batteries hautes performances et durables.
De nombreux dentifrices contiennent du fluorure de sodium, un composé du fluor, pour défendre les dents contre la carie. Cependant, les composés contenant du fluor ont d’autres applications inattendues. Des chercheurs du laboratoire national Argonne du ministère américain de l’Énergie ont identifié un électrolyte fluoré qui pourrait protéger les futures batteries contre la baisse de performances.
« Une nouvelle génération passionnante de types de batteries pour véhicules électriques au-delà du lithium-ion se profile à l’horizon », a déclaré Zhengcheng (John) Zhang, responsable du groupe des sciences chimiques et de l’ingénierie d’Argonne.
La composition chimique des batteries non lithium-ion offre deux fois ou plus d’énergie stockée dans un volume ou un poids donné par rapport au lithium-ion. Ils pourraient propulser des voitures sur des distances beaucoup plus longues et pourraient même un jour alimenter des camions et des avions long-courriers. On espère que l’utilisation généralisée de ces batteries contribuera à résoudre le problème du changement climatique. Le principal problème est que leur densité énergétique élevée diminue rapidement avec les charges et décharges répétées.
L’un des principaux concurrents possède une anode (électrode négative) en lithium métallique à la place du graphite normalement utilisé dans les batteries lithium-ion. On l’appelle ainsi une batterie « lithium métal ». La cathode (électrode positive) est un oxyde métallique qui contient du nickel, du manganèse et du cobalt (NMC). Bien qu’elle puisse fournir plus du double de la densité énergétique possible avec une batterie lithium-ion, ces performances exceptionnelles disparaissent rapidement en moins d’une centaine de cycles de charge-décharge.
La solution de l’équipe impliquait de changer l’électrolyte, un liquide à travers lequel les ions lithium se déplacent entre la cathode et l’anode pour mettre en œuvre la charge et la décharge. Dans les batteries au lithium métal, l’électrolyte est un liquide constitué d’un sel contenant du lithium dissous dans un solvant. La source du problème de courte durée de vie est que l’électrolyte ne forme pas une couche protectrice adéquate sur la surface de l’anode au cours des premiers cycles. Cette couche, également appelée interphase d’électrolyte solide (SEI), agit comme un gardien, permettant aux ions lithium de passer librement dans et hors de l’anode pour charger et décharger la batterie, respectivement.
L’équipe a découvert un nouveau solvant fluoré qui maintient une couche protectrice robuste pendant des centaines de cycles. Il couple un composant fluoré chargé positivement (cation) avec un composant fluoré différent chargé négativement (anion). Cette combinaison est ce que les scientifiques appellent un liquide ionique, un liquide composé d’ions positifs et négatifs.
« La principale différence dans notre nouvel électrolyte est la substitution du fluor aux atomes d’hydrogène dans la structure annulaire de la partie cationique du liquide ionique », a déclaré Zhang. « Cela a fait toute la différence dans le maintien de hautes performances pendant des centaines de cycles dans une cellule de test au lithium métal. »
Pour mieux comprendre le mécanisme derrière cette différence à l’échelle atomique, l’équipe s’est appuyée sur les ressources de calcul haute performance de l’Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), une installation utilisateur du DOE Office of Science.
Comme Zhang l’a expliqué, les simulations sur le supercalculateur Theta de l’ALCF ont révélé que les cations fluor adhèrent et s’accumulent sur les surfaces de l’anode et de la cathode avant tout cycle de charge-décharge. Ensuite, au cours des premières étapes du cyclage, une couche SEI résiliente se forme, supérieure à ce qui était possible avec les électrolytes précédents.
La microscopie électronique à haute résolution du Laboratoire national d’Argonne et du Nord-Ouest du Pacifique a révélé que la couche SEI hautement protectrice sur l’anode et la cathode conduisait à un cycle stable.
L’équipe a pu ajuster la proportion de solvant fluoré par rapport au sel de lithium pour créer une couche aux propriétés optimales, notamment une épaisseur SEI ni trop épaisse ni trop fine. Grâce à cette couche, les ions lithium pourraient entrer et sortir efficacement des électrodes pendant la charge et la décharge pendant des centaines de cycles.
Le nouvel électrolyte de l’équipe offre également de nombreux autres avantages. Il est peu coûteux car il peut être fabriqué avec une pureté et un rendement extrêmement élevés en une seule étape plutôt que plusieurs étapes. Il est respectueux de l’environnement car il utilise beaucoup moins de solvants, qui sont volatils et peuvent libérer des contaminants dans l’environnement. Et c’est plus sûr car ce n’est pas inflammable.
« Les batteries au lithium métal avec notre électrolyte cationique fluoré pourraient considérablement stimuler l’industrie des véhicules électriques », a déclaré Zhang. « Et l’utilité de cet électrolyte s’étend sans aucun doute à d’autres types de systèmes de batteries avancés au-delà du lithium-ion. «
Un article sur cette recherche est paru dans Communications naturelles. Outre Zhang, les auteurs d’Argonne incluent Qian Liu, Wei Jiang, Jiayi Xu, Zhenzhen Yang, Doo-Joo Yoo, Krzysztof Z. Pupek et Cong Liu. Parmi les autres contributeurs figurent Chongmin Wang et Yaobin Xu du Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique et Kang Xu du Laboratoire de recherche de l’armée américaine.
Ce travail a été soutenu par le Bureau de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables du DOE, Bureau des technologies des véhicules. Le temps de calcul sur l’ALCF a été attribué dans le cadre de l’ASCR Leadership Computing Challenge du DOE.