Des ingénieurs de l’Université de Californie à San Diego ont développé des batteries lithium-ion qui fonctionnent bien par temps glacial et torride, tout en consommant beaucoup d’énergie.Les chercheurs ont accompli cet exploit en développant un électrolyte qui est non seulement polyvalent et robuste sur une large plage de températures, mais également compatible avec une anode et une cathode à haute énergie.
Les batteries résistantes à la températuresont décrits dans un article publié la semaine du 4 juillet dans Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
De telles batteries pourraient permettre aux véhicules électriques de voyager plus loin avec une seule charge dans les climats froids ;ils pourraient également réduire le besoin de systèmes de refroidissement pour empêcher les batteries des véhicules de surchauffer dans les climats chauds, a déclaré Zheng Chen, professeur de nano-ingénierie à la Jacobs School of Engineering de l'UC San Diego et auteur principal de l'étude.
« Vous avez besoin d’un fonctionnement à haute température dans les zones où la température ambiante peut atteindre les trois chiffres et où les routes deviennent encore plus chaudes.Dans les véhicules électriques, les batteries se trouvent généralement sous le plancher, à proximité de ces routes chaudes », a expliqué Chen, qui est également membre du corps professoral du Sustainable Power and Energy Center de l'UC San Diego.« De plus, les batteries s'échauffent simplement à cause du courant qui les traverse pendant le fonctionnement.Si les batteries ne peuvent pas tolérer cet échauffement à haute température, leurs performances se dégraderont rapidement.
Lors des tests, les batteries de validation de principe ont conservé respectivement 87,5 % et 115,9 % de leur capacité énergétique à -40 et 50 C (-40 et 122 F).Elles présentaient également des rendements coulombiens élevés de 98,2 % et 98,7 % à ces températures, respectivement, ce qui signifie que les batteries peuvent subir davantage de cycles de charge et de décharge avant de cesser de fonctionner.
Les batteries développées par Chen et ses collègues sont à la fois résistantes au froid et à la chaleur grâce à leur électrolyte.Il est constitué d’une solution liquide d’éther dibutylique mélangée à un sel de lithium.Une particularité de l’éther dibutylique est que ses molécules se lient faiblement aux ions lithium.En d’autres termes, les molécules d’électrolyte peuvent facilement libérer les ions lithium pendant le fonctionnement de la batterie.Les chercheurs avaient découvert dans une étude précédente que cette faible interaction moléculaire améliore les performances de la batterie à des températures inférieures à zéro.De plus, l'éther dibutylique peut facilement supporter la chaleur car il reste liquide à haute température (il a un point d'ébullition de 141 C ou 286 F).
Stabilisation des produits chimiques lithium-soufre
La particularité de cet électrolyte est également qu'il est compatible avec une batterie lithium-soufre, qui est un type de batterie rechargeable dotée d'une anode en lithium métal et d'une cathode en soufre.Les batteries au lithium-soufre constituent un élément essentiel des technologies de batteries de nouvelle génération car elles promettent des densités d’énergie plus élevées et des coûts inférieurs.Elles peuvent stocker jusqu'à deux fois plus d'énergie par kilogramme que les batteries lithium-ion actuelles, ce qui pourrait doubler l'autonomie des véhicules électriques sans augmenter le poids de la batterie.De plus, le soufre est plus abondant et moins problématique à approvisionner que le cobalt utilisé dans les cathodes traditionnelles des batteries lithium-ion.
Mais les batteries lithium-soufre posent des problèmes.La cathode et l'anode sont super réactives.Les cathodes de soufre sont si réactives qu'elles se dissolvent pendant le fonctionnement sur batterie.Ce problème s'aggrave à des températures élevées.Et les anodes au lithium métallique ont tendance à former des structures en forme d’aiguilles appelées dendrites qui peuvent percer certaines parties de la batterie, provoquant un court-circuit.En conséquence, les batteries lithium-soufre ne durent que des dizaines de cycles.
"Si vous voulez une batterie à haute densité énergétique, vous devez généralement utiliser une chimie très dure et complexe", a déclaré Chen.« Une énergie élevée signifie plus de réactions, ce qui signifie moins de stabilité, plus de dégradation.Fabriquer une batterie stable à haute énergie est une tâche difficile en soi – essayer de le faire dans une large plage de températures est encore plus difficile.
L'électrolyte dibutyléther développé par l'équipe de l'UC San Diego prévient ces problèmes, même à des températures élevées et basses.Les batteries testées avaient une durée de vie beaucoup plus longue qu’une batterie lithium-soufre typique."Notre électrolyte contribue à améliorer à la fois le côté cathodique et le côté anode tout en offrant une conductivité élevée et une stabilité interfaciale", a déclaré Chen.
L’équipe a également conçu la cathode de soufre pour qu’elle soit plus stable en la greffant à un polymère.Cela empêche davantage de soufre de se dissoudre dans l’électrolyte.
Les prochaines étapes consistent à améliorer la chimie de la batterie, à l'optimiser pour qu'elle fonctionne à des températures encore plus élevées et à prolonger encore sa durée de vie.
Article : « Critères de sélection des solvants pour les batteries lithium-soufre résistantes à la température. »Les co-auteurs incluent Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal et Ping Liu, tous à l'UC San Diego.
Ce travail a été soutenu par une subvention de début de carrière du programme de subventions de recherche en technologie spatiale de la NASA (ECF 80NSSC18K1512), de la National Science Foundation par l'intermédiaire du Materials Research Science and Engineering Center de l'UC San Diego (MRSEC, subvention DMR-2011924) et du Bureau de Technologies automobiles du Département américain de l'énergie à travers le programme de recherche sur les matériaux avancés pour batteries (Battery500 Consortium, contrat DE-EE0007764).Ce travail a été réalisé en partie à la San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) de l'UC San Diego, membre de la National Nanotechnology Cooperative Infrastructure, soutenue par la National Science Foundation (subvention ECCS-1542148).
Heure de publication : 10 août 2022