Solide

Jul 11, 2023

Just_Super/iStock

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Des chercheurs de l’Université de Bayreuth, en Allemagne, en collaboration avec des partenaires chinois, ont réalisé une percée significative dans la technologie des batteries. En utilisant un additif innovant à base de nitrate, ils ont réussi à développer une nouvelle batterie lithium-métal solide à la fois stable et potentiellement durable. Ceci, souligne l’équipe de recherche, souligne l’importance de la conception moléculaire dans la création d’additifs efficaces pour les électrolytes quasi-solides.

Le professeur Francesco Ciucci, titulaire de la chaire de conception d'électrodes pour les systèmes énergétiques électrochimiques de l'université de Bayreuth, a collaboré avec des partenaires de recherche chinois pour résoudre les problèmes d'incompatibilité entre le nitrate de lithium et le 1,3-dioxolane (DOL) dans les électrolytes de batterie quasi solides en intégrant un nouvel additif à base de nitrate. Il s’agit d’une évolution importante car, dans le passé, de tels problèmes d’incompatibilité rendaient la création ou la mise en production de telles batteries très difficiles.

La découverte de l'équipe permet désormais le développement de batteries au lithium métal à l'état solide qui sont hautement sûres, durables et faciles à produire tout en conservant les méthodes de fabrication utilisées pour les batteries liquides conventionnelles.

Au cours de leurs expériences, ils ont essayé de fabriquer différentes versions de ces batteries et ont découvert qu’un type particulier, la pile au lithium-soufre (Li-S), fonctionnait particulièrement bien. Les batteries Li-S ont le potentiel d’avoir une densité énergétique très élevée. Cela signifie qu’ils peuvent stocker beaucoup d’énergie pour leur poids, ce qui est particulièrement précieux pour les applications comme l’aviation ou les véhicules électriques où le poids compte. Outre sa densité énergétique élevée, le soufre est abondant et bon marché, ce qui pourrait rendre les batteries Li-S plus rentables par rapport aux autres technologies de batteries si les défis techniques sont résolus.

Prof. Dr Francesco Ciucci et al, 2023.

Mais jusqu’à présent, les cellules Li-S souffraient d’une durée de vie et d’une stabilité médiocres.

"La nature solide des batteries garantit un haut niveau de sécurité tandis que leur fabrication reste simple", a expliqué le professeur Ciucci. "Nous avons démontré l'universalité de l'approche en créant différents types de batteries lithium-métal. Notamment, la cellule Li-S en poche fabriquée présente des performances supérieures par rapport aux cellules Li-S en poche précédemment documentées", a-t-il ajouté.

Le professeur Ciucci et son équipe de recherche ont introduit un nouvel additif, le dinitrate de triéthylèneglycol, spécialement conçu pour permettre la polymérisation du DOL. L'équipe de recherche a montré que, parallèlement à la polymérisation, la formation d'une couche interphase d'électrolyte solide riche en azote supprime les réactions parasites néfastes et augmente l'efficacité de la batterie.

Sur la base des résultats de l’étude, plusieurs cellules de batterie ont été développées. Parmi elles, les piles bouton à l’échelle du laboratoire pourraient être chargées et déchargées plus de 2 000 fois. Une cellule de poche Li-S de 1,7 Ah avec une densité énergétique élevée de 304 Wh kg-1 et un cycle stable a également été fabriquée.

Cette découverte constitue un grand pas en avant dans la technologie des batteries. Cela montre l’importance de concevoir correctement les molécules pour fabriquer de meilleures batteries. "Cette étude souligne l'importance de la conception de la structure moléculaire dans la création d'additifs efficaces pour les électrolytes quasi-solides. Elle représente une avancée significative dans la faisabilité pratique de l'utilisation d'électrolytes quasi-solides à base de poly-DOL dans les batteries au lithium métal", a expliqué le professeur Ciucci.

Vous pouvez consulter l’étude par vous-même dans la revue Energy & Environmental Science.

Résumé de l'étude :

La polymérisation in situ d'électrolytes quasi-solides (QSSE) apparaît comme une approche prometteuse pour [le développement] de batteries lithium-métal quasi-solides évolutives, sûres et hautes performances. Dans ce contexte, les électrolytes à base de poly-DOL sont particulièrement attractifs en raison de leur large fenêtre électrochimique et de leur forte compatibilité avec le lithium métal. Pour améliorer la stabilité du lithium métallique, du LiNO3 est fréquemment ajouté car il crée une interphase efficace d'électrolyte solide riche en Li3N à la surface de l'anode du lithium métallique. Cependant, LiNO3 empêche la polymérisation par ouverture de cycle du DOL, rendant les deux composés incompatibles. Pour résoudre ce problème, ce travail développe du dinitrate de triéthylène glycol (TEGDN), un nouvel additif à base de nitrate, pour remplacer LiNO3. Comme LiNO3, le TEGDN forme une interphase électrolytique solide dense et riche en azote à la surface du lithium, le protégeant des réactions parasites. Cependant, contrairement à LiNO3, le TEGDN n'interfère pas avec la polymérisation du DOL, permettant la fabrication d'un électrolyte très efficace offrant une conductivité ionique de 2,87 mS cm−1 et un potentiel de stabilité à l'oxydation de 4,28 V à température ambiante. Pour démontrer la viabilité de cette approche, une cellule de type pièce Li | LiFePO4 cyclant de manière stable plus de 2 000 fois à 1C est fabriquée. De plus, une cellule lithium-soufre de type pochette de 1,7 Ah avec une énergie spécifique initiale de 304 W·h·kg−1 et une rétention de capacité de 79,9 % après 50 cycles est préparée. En bref, la présente étude a proposé un nouvel additif pour résoudre pour la première fois l'incompatibilité poly-DOL et LiNO3, en développant des batteries quasi-solides polymérisées in situ qui présentent une capacité et une stabilité remarquables en formant une interphase d'électrolyte solide riche en N.