Dans les batteries lithium-ion actuelles, le principal problème réside dans l’électrolyte liquide. Ce composant clé de la batterie transfère les particules porteuses de charge appelées ions entre les deux électrodes de la batterie, provoquant la charge et la décharge de la batterie. Mais le liquide commence à geler à des températures inférieures à zéro. Cette condition limite considérablement l’efficacité de la recharge des véhicules électriques dans les régions et les saisons froides.

Pour résoudre ce problème, une équipe de scientifiques des laboratoires nationaux Argonne et Lawrence Berkeley du Département américain de l’énergie (DOE) a développé un électrolyte contenant du fluor qui fonctionne bien même à des températures inférieures à zéro.

« Notre équipe a non seulement trouvé un électrolyte antigel dont les performances de charge ne diminuent pas à moins 4 degrés Fahrenheit, mais nous avons également découvert, au niveau atomique, ce qui le rend si efficace », a déclaré Zhengcheng « John » Zhang, chimiste senior et groupe. leader du pôle Sciences Chimiques et Ingénierie d’Argonne.

Cet électrolyte à basse température est prometteur pour les batteries des véhicules électriques, ainsi que pour le stockage d’énergie des réseaux électriques et de l’électronique grand public comme les ordinateurs et les téléphones.

Dans les batteries lithium-ion d’aujourd’hui, l’électrolyte est un mélange d’un sel largement disponible (hexafluorophosphate de lithium) et de solvants carbonates tels que le carbonate d’éthylène. Les solvants dissolvent le sel pour former un liquide.

Lorsqu’une batterie est chargée, l’électrolyte liquide transporte les ions lithium de la cathode (un oxyde contenant du lithium) vers l’anode (graphite). Ces ions migrent hors de la cathode, puis traversent l’électrolyte pour se rendre dans l’anode. Pendant qu’ils sont transportés à travers l’électrolyte, ils se trouvent au centre d’amas de quatre ou cinq molécules de solvant.

Au cours des premières charges, ces amas frappent la surface de l’anode et forment une couche protectrice appelée interphase électrolyte solide. Une fois formée, cette couche agit comme un filtre. Il ne laisse passer que les ions lithium à travers la couche tout en bloquant les molécules de solvant. De cette façon, l’anode est capable de stocker des atomes de lithium dans la structure du graphite en charge. Lors de la décharge, les réactions électrochimiques libèrent des électrons du lithium qui génèrent de l’électricité pouvant alimenter les véhicules.

Le problème est qu’à des températures froides, l’électrolyte contenant des solvants carbonates commence à geler. En conséquence, il perd la capacité de transporter des ions lithium dans l’anode en charge. En effet, les ions lithium sont si étroitement liés dans les amas de solvants. Par conséquent, ces ions nécessitent une énergie beaucoup plus élevée pour évacuer leurs amas et pénétrer la couche d’interface qu’à température ambiante. Pour cette raison, les scientifiques ont recherché un meilleur solvant.

L’équipe a étudié plusieurs solvants contenant du fluor. Ils ont pu identifier la composition qui présentait la barrière d’énergie la plus faible pour libérer les ions lithium des agrégats à une température inférieure à zéro. Ils ont également déterminé à l’échelle atomique pourquoi cette composition particulière fonctionnait si bien. Cela dépendait de la position des atomes de fluor dans chaque molécule de solvant et de leur nombre.

Lors de tests avec des cellules de laboratoire, l’électrolyte fluoré de l’équipe a conservé une capacité de stockage d’énergie stable pendant 400 cycles de charge-décharge à moins 4 F. Même à cette température inférieure à zéro, la capacité était équivalente à celle d’une cellule avec un électrolyte conventionnel à base de carbonate. à température ambiante.

« Notre recherche a ainsi démontré comment adapter la structure atomique des solvants électrolytiques pour concevoir de nouveaux électrolytes pour des températures inférieures à zéro », a déclaré Zhang.

L’électrolyte antigel a une propriété supplémentaire. Il est beaucoup plus sûr que les électrolytes à base de carbonate actuellement utilisés, car il ne s’enflamme pas.

« Nous brevetons notre électrolyte à basse température et plus sûr et recherchons maintenant un partenaire industriel pour l’adapter à l’une de leurs conceptions de batteries lithium-ion », a déclaré Zhang.

Cette recherche apparaît dans Matériaux énergétiques avancés. Outre John Zhang, les auteurs d’Argonne sont Dong-Joo Yoo, Qian Liu et Minkyu Kim. Les auteurs du Berkeley Lab sont Orion Cohen et Kristin Persson.

Ce travail a été financé par le Bureau de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables du DOE, Bureau des technologies des véhicules.