Des ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego ont mis au point des batteries lithium-ion qui fonctionnent bien dans des températures glaciales et brûlantes, tout en emmagasinant beaucoup d'énergie.Les chercheurs ont accompli cet exploit en développant un électrolyte 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 Actes de l'Académie nationale des sciences (PNAS).
De telles batteries pourraient permettre aux véhicules électriques dans les climats froids de voyager plus loin avec une seule charge ;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 l'UC San Diego Jacobs School of Engineering et auteur principal de l'étude.
« Vous avez besoin d'un fonctionnement à haute température dans des 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 chauffent simplement parce qu'elles sont parcourues par un courant pendant le fonctionnement.Si les batteries ne supportent pas cet échauffement à haute température, leurs performances se dégraderont rapidement.
Lors des tests, les batteries de preuve de concept ont conservé 87,5 % et 115,9 % de leur capacité énergétique à -40 et 50 C (-40 et 122 F), respectivement.Ils avaient également des rendements coulombiens élevés de 98,2 % et 98,7 % à ces températures, respectivement, ce qui signifie que les batteries peuvent subir plus 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 mélangé 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 lâcher les ions lithium lorsque la batterie fonctionne.Cette faible interaction moléculaire, que les chercheurs avaient découverte dans une étude précédente, améliore les performances de la batterie à des températures inférieures à zéro.De plus, l'éther dibutylique peut facilement prendre la chaleur car il reste liquide à haute température (il a un point d'ébullition de 141 C ou 286 F).
Stabilisation des chimies lithium-soufre
La particularité également de cet électrolyte est qu'il est compatible avec une batterie lithium-soufre, qui est un type de batterie rechargeable qui possède une anode en lithium métal et une cathode en soufre.Les batteries au lithium-soufre sont un élément essentiel des technologies de batterie de nouvelle génération car elles promettent des densités d'énergie plus élevées et des coûts réduits.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 trouver que le cobalt utilisé dans les cathodes de batteries lithium-ion traditionnelles.
Mais il y a des problèmes avec les batteries au lithium-soufre.La cathode et l'anode sont super réactives.Les cathodes de soufre sont si réactives qu'elles se dissolvent pendant le fonctionnement de la batterie.Ce problème s'aggrave à des températures élevées.Et les anodes au lithium métal ont tendance à former des structures en forme d'aiguilles appelées dendrites qui peuvent percer des parties de la batterie, provoquant un court-circuit.En conséquence, les batteries au lithium-soufre ne durent que des dizaines de cycles.
"Si vous voulez une batterie à haute densité d'énergie, vous devez généralement utiliser une chimie très dure et compliquée", a déclaré Chen."Une énergie élevée signifie que plus de réactions se produisent, ce qui signifie moins de stabilité, plus de dégradation.Fabriquer une batterie à haute énergie stable est une tâche difficile en soi - essayer de le faire dans une large plage de températures est encore plus difficile.
L'électrolyte d'éther dibutylique développé par l'équipe de l'UC San Diego évite ces problèmes, même à des températures élevées et basses.Les batteries qu'ils ont testées avaient des durées de vie beaucoup plus longues qu'une batterie lithium-soufre typique."Notre électrolyte aide à améliorer à la fois le côté cathode 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 plus de soufre de se dissoudre dans l'électrolyte.
Les prochaines étapes consistent à augmenter la chimie de la batterie, à l'optimiser pour qu'elle fonctionne à des températures encore plus élevées et à prolonger davantage la durée de vie du cycle.
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 du corps professoral en début de carrière du programme de subventions de recherche sur les technologies spatiales de la NASA (ECF 80NSSC18K1512), la National Science Foundation par l'intermédiaire du centre de recherche et d'ingénierie des matériaux de l'UC San Diego (MRSEC, subvention DMR-2011924), et le Bureau de Vehicle Technologies du département américain de l'énergie par le biais du programme de recherche sur les matériaux de batterie avancés (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 Coordinated Infrastructure, qui est soutenue par la National Science Foundation (subvention ECCS-1542148).
Heure de publication : 10 août 2022