Une équipe de chercheurs de l’Université de Tokyo a découvert un nouveau mécanisme pour stabiliser l’électrode et l’électrolyte au lithium métal dans les batteries au lithium métal. Ce nouveau mécanisme, qui ne dépend pas de l’approche cinétique traditionnelle, a le potentiel d’améliorer considérablement la densité d’énergie des batteries en augmentant la quantité d’énergie stockée par rapport au poids ou au volume.
Les découvertes de l’équipe ont été publiées dans la revue Nature Energy.
Piles au lithium métal sont une technologie prometteuse susceptible de répondre aux demandes de systèmes de stockage à haute densité d’énergie. Cependant, en raison de la décomposition incessante de l’électrolyte dans ces batteries, leur efficacité coulombienne est faible. L’efficacité coulombienne, également appelée efficacité de courant, décrit l’efficacité avec laquelle les électrons sont transférés dans la batterie. Ainsi, une batterie à haute efficacité coulombienne a une durée de vie plus longue.
Atsuo Yamada, professeur au Département de génie des systèmes chimiques de l’Université de Tokyo, a déclaré : « Il s’agit du premier article à proposer le potentiel d’électrode et les caractéristiques structurelles associées comme mesures pour la conception d’électrolytes de batterie au lithium-métal, qui sont extraits en introduisant la science des données. combiné avec des calculs informatiques. Sur la base de nos découvertes, plusieurs électrolytes, qui permettent une efficacité coulombienne élevée, ont été facilement développés. Les travaux de l’équipe ont le potentiel d’offrir de nouvelles opportunités dans la conception d’électrolytes de nouvelle génération pour les batteries au lithium métal.
Dans les batteries lithium-ion, l’ion lithium se déplace de l’électrode positive à l’électrode négative à travers l’électrolyte pendant la charge et revient lors de la décharge. En introduisant des électrodes à haute densité d’énergie, la densité d’énergie de la batterie peut être améliorée. Dans ce contexte, de nombreuses études ont été menées au cours des dernières décennies pour changer l’électrode négative en graphite en lithium métal. Cependant, le lithium métal a une réactivité élevée, ce qui réduit l’électrolyte à sa surface. De ce fait, l’électrode de lithium métallique présente un mauvais rendement coulombien.
Pour surmonter ce problème, les scientifiques ont développé des électrolytes fonctionnels et des additifs électrolytiques qui forment un film protecteur de surface. Cette interphase d’électrolyte solide a un impact sur la sécurité et l’efficacité des batteries au lithium. Le film protecteur de surface empêche le contact direct entre l’électrolyte et l’électrode au lithium métallique, ralentissant ainsi cinétiquement la réduction de l’électrolyte. Pourtant, jusqu’à présent, les scientifiques n’avaient pas entièrement compris la corrélation entre l’interphase de l’électrolyte solide et l’efficacité coulombienne.
Les scientifiques savent que s’ils améliorent la stabilité de l’interphase de l’électrolyte solide, ils peuvent ralentir la décomposition de l’électrolyte et augmenter l’efficacité coulombienne de la batterie. Mais même avec des technologies avancées, les scientifiques ont du mal à analyser directement la chimie de l’interphase de l’électrolyte solide. La plupart des études sur l’interphase d’électrolyte solide ont été menées avec des méthodologies indirectes. Ces études fournissent des preuves indirectes, ce qui rend difficile le développement de l’électrolyte stabilisant le lithium métallique qui conduit à une efficacité coulombienne élevée.
L’équipe de recherche a déterminé que s’ils pouvaient augmenter le potentiel d’oxydo-réduction du lithium métal dans un système d’électrolyte spécifique, ils pourraient diminuer la force motrice thermodynamique pour réduire l’électrolyte, et ainsi atteindre une efficacité coulombienne plus élevée. Cette stratégie avait rarement été appliquée dans le développement de batteries au lithium métal. “Le potentiel thermodynamique d’oxydo-réduction du lithium métal, qui varie considérablement en fonction des électrolytes, est un facteur simple mais négligé qui influence les performances de la batterie au lithium métal”, a expliqué Atsuo Yamada.
L’équipe a étudié le potentiel d’oxydoréduction du lithium métal dans 74 types d’électrolytes. Les chercheurs ont introduit un composé appelé ferrocène dans tous les électrolytes en tant qu’étalon interne recommandé par l’IUPAC (Union internationale de chimie pure et appliquée) pour les potentiels d’électrode. L’équipe a prouvé qu’il existe une corrélation entre le potentiel d’oxydo-réduction du lithium métal et l’efficacité coulombienne. Ils ont obtenu le haut rendement coulombien avec le potentiel d’oxydo-réduction élevé du lithium métal.
Dans la perspective de travaux futurs, l’objectif de l’équipe de recherche est de dévoiler plus en détail le mécanisme rationnel derrière le changement de potentiel d’oxydo-réduction. « Nous allons concevoir l’électrolyte garantissant une efficacité coulombienne supérieure à 99,95 %. L’efficacité coulombienne du lithium métal est inférieure à 99 %, même avec des électrolytes avancés. Cependant, au moins 99,95 % sont requis pour la commercialisation des batteries à base de lithium métal », a déclaré Atsuo Yamada.
L’étude a été réalisée en collaboration avec l’Institut de technologie de Nagoya.
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Un rapide coup d’œil à la section Batterie de ce site Web montre qu’il y a un énorme effort mondial pour arriver à une batterie au lithium métal commerciale. Jusqu’à présent, il n’existe pas de technologie suffisamment mature pour qu’un fabricant soit disposé à créer une chaîne de production.
Mais les avantages sont nombreux et impressionnants. Ce qui arrête les fabricants, c’est probablement le problème des dendrites, ces excroissances qui épuisent souvent une batterie avec des conséquences désastreuses.
On peut être sûr que le jour viendra où la chimie du lithium métal sera en tête du marché. Peut-être qu’une combinaison des différents concepts pourrait faire le travail. Cela va prendre du temps et beaucoup d’argent.
Mais une fois que la confiance est là, que l’investissement décolle et qu’il existe des technologies concurrentes, les consommateurs pourront utiliser de bien meilleures batteries.
Par Brian Westenhaus via New Energy and Fuel
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