Une nouvelle conception d’électrolyte promet des batteries lithium-métal plus durables

Les batteries lithium-métal pourraient présenter des densités énergétiques nettement supérieures à celles des batteries lithium-ion, qui constituent la principale technologie de batterie actuellement sur le marché. Cependant, les cellules lithium-métal présentent généralement des limites importantes, la plus notable étant leur courte durée de vie.

Des chercheurs de l’Université des sciences et technologies de Chine et d’autres instituts ont récemment présenté une nouvelle conception d’électrolyte qui pourrait être utilisée pour développer des cellules lithium-métal à hautes performances avec une durée de vie plus longue. Cet électrolyte, présenté dans un article publié dans Énergie naturelleprésente une structure de solvatation unique à l’échelle nanométrique, avec des paires d’ions densément regroupées dans des agrégats compacts de paires d’ions (CIPA).

« Les principaux objectifs de nos travaux récents sont d’accélérer considérablement les applications pratiques des batteries lithium-métal et d’offrir une compréhension mécaniste approfondie de ce système complexe », a déclaré le professeur Shuhong Jiao, co-auteur de l’article, à Tech Xplore.

« Les batteries lithium-métal sont le Saint Graal du secteur des batteries et sont considérées comme une technologie prometteuse de nouvelle génération, car elles présentent une densité énergétique ultra-élevée, théoriquement supérieure à 500 Wh/kg. C’est plus de 2 fois plus que les batteries lithium-ion actuelles qui dominent le marché des batteries, ce qui signifie que si nous pouvons remplacer les batteries lithium-ion par des batteries lithium-métal, l’autonomie des véhicules électriques peut être doublée par charge. »

Les batteries lithium-métal commercialisées jusqu’à présent ont une durée de vie très limitée d’environ 50 cycles, ce qui est nettement inférieur à celle des batteries lithium-ion commerciales, qui peuvent généralement conserver leurs bonnes performances pendant environ 1 000 cycles. Les raisons de cette durée de vie plus courte sont la croissance des dendrites de lithium, la réactivité élevée du lithium-métal et les cathodes en métal de transition à haute tension, qui provoquent collectivement la dégradation constante de l’électrolyte.

« Malgré les efforts considérables des chercheurs du monde entier, les performances des batteries lithium-métal sont encore loin d’être satisfaisantes (> 500 Wh/kg, 1 000 cycles) », a déclaré le professeur Jiao. « La cause principale est que les interfaces entre l’électrolyte et les électrodes (c’est-à-dire l’interface anode-électrolyte et l’interface cathode-électrolyte) ne peuvent pas être complètement stabilisées comme dans le cas des batteries lithium-ion. Une dégradation constante et sévère de l’électrolyte se produit toujours pendant le fonctionnement de la batterie. »

Il y a environ cinq ans, le professeur Jiao et ses collègues ont conçu un électrolyte capable de stabiliser simultanément les interfaces anode-électrolyte et cathode-électrolyte dans les cellules de batterie lithium-métal, supprimant ainsi la dégradation de l’électrolyte. La conception de leur électrolyte s’appuie sur les premières recherches sur les processus physico-chimiques microscopiques à l’intérieur des batteries lithium-métal.

« Un électrolyte est un composant clé des batteries lithium-métal, car il peut ajuster la chimie/structure du SEI et ainsi guider le comportement de placage du lithium-métal, dictant finalement les performances de la batterie », a expliqué le professeur Jiao.

« Pour des raisons d’application pratique, nous avons essayé de réaliser cela en utilisant des composants bon marché. Les innombrables travaux d’autres chercheurs dans ce domaine nous ont également beaucoup inspirés, car ils ont introduit de nombreuses nouvelles classes d’électrolytes comme l’électrolyte hautement concentré, l’électrolyte localisé à haute concentration, l’électrolyte à faible solvatation et l’électrolyte à gaz liquéfié, etc. »

Pour mener à bien cette étude récente, la professeure Jiao et son groupe de recherche se sont associés à d’autres équipes capables d’effectuer des calculs théoriques et de caractériser les électrolytes à l’échelle microscopique. Leurs efforts collaboratifs ont finalement conduit à la conception d’une nouvelle classe d’électrolytes capables de prolonger la durée de vie des batteries lithium-métal.

Les électrolytes qu’ils ont conçus sont constitués de molécules disponibles dans le commerce et à des prix abordables. Leur caractéristique principale est leur structure de solvatation unique.

« La structure de solvatation est une caractéristique inhérente cruciale d’un électrolyte, car elle régit le comportement interfacial de l’électrolyte, comme son mécanisme de réaction interfaciale qui contrôle la formation de SEI et donc la chimie et la structure de SEI », a déclaré le professeur Jiao.

« La structure de solvatation de l’électrolyte a été jusqu’à présent intensivement adaptée au niveau microscopique dans la littérature scientifique évaluée par des pairs, en particulier la première couche de solvatation de l’ion lithium, mais le réglage structurel au-delà de cette échelle, à savoir la deuxième couche de solvatation et au-delà, est largement négligé. »

L’étude récente du professeur Jiao et de ses collègues a ouvert la voie à l’ajustement de la structure de solvatation d’un électrolyte au niveau mésoscopique. Leur conception unique se concentre spécifiquement sur l’interaction entre les paires d’ions sous-jacentes à la formation de la structure agrégée de l’électrolyte.

« Notre électrolyte est composé de gros agrégats compacts, formés par l’empilement dense de paires d’ions lithium-anion avec liaison de coordination entre elles, que nous définissons comme l’agrégat compact de paires d’ions (CIPA) », a déclaré le professeur Jiao. « Cela contraste fortement avec la domination des petits agrégats et des paires d’ions séparées dans l’électrolyte localisé à haute concentration, une classe d’électrolytes de pointe avec les meilleures performances des batteries à ce jour, ouvrant une nouvelle voie pour la conception d’électrolytes. »

Le nouvel électrolyte conçu par cette équipe de recherche présente notamment une réduction collective unique sur l’anode lithium-métal. Cela signifie que les nuages ​​d’anions de la structure CIPA sont rapidement réduits (c’est-à-dire décomposés) à la surface du lithium, formant des composés inorganiques tels que Li₂O et LiF, ainsi qu’un SEI mince et stable, qui à son tour supprime la décomposition constante de l’électrolyte.

« Grâce au comportement unique du transfert d’électrons collectif, notre électrolyte forme un SEI fin et conforme à faible teneur en matières organiques et riche en composants inorganiques avec une distribution uniforme, ce qui peut favoriser le flux homogène d’ions lithium à l’intérieur du SEI et le dépôt de lithium sans dendrites », a déclaré le professeur Jiao. « Cela conduit à un dépôt de lithium homogène et compact, ce qui diminue les zones spécifiques de l’anode lithium-métal pour supprimer davantage la décomposition de l’électrolyte. »

De plus, l’électrolyte nouvellement conçu par les chercheurs présente simultanément une bonne stabilité à l’oxydation et supprime la dissolution des éléments métalliques de transition de la cathode, améliorant ainsi la stabilité de l’interface de la cathode. La stabilisation de cette interface, ainsi que celle de l’interface électrolyte-lithium, se sont avérées se traduire par un cyclage stable pendant un nombre de cycles prolongé.

« La structure de solvatation mésoscopique introduite dans notre article conduit à une nouvelle classe d’électrolytes, ouvrant une nouvelle voie pour la conception d’électrolytes de batteries lithium-métal », a déclaré le professeur Jiao.

Pour évaluer le potentiel de leur nouvel électrolyte, les chercheurs l’ont utilisé pour créer une cellule lithium-métal de 500 Wh/kg. Lors des premiers tests, cette cellule s’est avérée conserver 91 % de son énergie après 130 cycles de fonctionnement. À l’avenir, cette nouvelle conception d’électrolyte pourrait être reproduite et testée par d’autres chercheurs du monde entier, afin d’évaluer plus avant son potentiel à prolonger la durée de vie des batteries lithium-métal.

« Nous envisageons désormais de prolonger encore la durée de vie des cellules lithium-métal de 500 Wh/kg à plus de 1 000 cycles », a ajouté le professeur Jiao. « D’autre part, nous explorons toujours le nouveau système de batterie pour obtenir une densité énergétique beaucoup plus élevée avec une longue durée de vie, par exemple ≥ 600 Wh/kg avec 100 à 200 cycles. Toutes ces études de recherche scientifique fondamentale sont précieuses pour réaliser le déploiement des batteries lithium-métal dans de nombreux domaines. »

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