Nouveau design d'électrolyte montre des promesses pour des batteries lithium-métal plus durables

18 août 2024

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par Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Les batteries au lithium métal pourraient avoir des densités d'énergie significativement plus élevées que les batteries au lithium-ion, qui sont la technologie de batterie dominante sur le marché actuel. Cependant, les cellules au lithium métal ont généralement des limitations importantes, la plus notable étant une durée de vie courte.

Des chercheurs de l'Université des sciences et technologies de Chine et d'autres instituts ont récemment introduit une nouvelle conception d'électrolyte qui pourrait être utilisée pour développer des cellules de poche au lithium métal très performantes avec des durées de vie prolongées. Cet électrolyte, présenté dans un article de Nature Energy, présente une structure de solvatation unique à l'échelle nanométrique, avec des paires d'ions densément emballées dans des agrégats ion-paire compacts (CIPA).

« Les objectifs principaux de notre travail récent sont d'accélérer considérablement les applications pratiques des batteries au lithium métal et d'offrir une compréhension mécaniste approfondie de ce système complexe », a déclaré le Prof. Shuhong Jiao, co-auteur de l'article, à Tech Xplore.

« Les batteries Li-métal sont la perle rare du domaine des batteries et sont considérées comme une technique de batterie prometteuse de nouvelle génération, car elles offrent une densité d'énergie ultra-élevée, théoriquement >500 Wh/kg. Cela dépasse de plus de 2 fois les batteries au lithium-ion actuelles qui dominent le marché des batteries, ce qui signifie que si nous pouvons remplacer les batteries au lithium-ion par des batteries au lithium métal, l'autonomie des véhicules électriques peut être doublée par charge ».

Les batteries au lithium métal introduites jusqu'à présent ont une durée de vie de cycle très limitée d'environ 50 cycles, ce qui est significativement inférieur à celui des batteries au lithium-ion commerciales, qui peuvent généralement conserver de bonnes performances pendant environ 1 000 cycles. Les raisons de cette durée de vie plus courte sont la croissance des dendrites de lithium, la haute réactivité du lithium métal et des cathodes en métal de transition à haute tension, qui provoquent ensemble la dégradation constante de l'électrolyte.

« Malgré les efforts considérables des chercheurs du monde entier, les performances des batteries au lithium métal restent encore loin d'être satisfaisantes (>500 Wh/kg, 1 000 cycles) », a déclaré le Prof. Jiao. « La principale raison 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 au lithium-ion. Une dégradation constante et grave de l'électrolyte se produit toujours pendant le fonctionnement de la batterie ».

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

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

« Pour des applications pratiques, 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'électrolyte comme les électrolytes hautement concentrés, les électrolytes à haute concentration localisée, les électrolytes à faible solvatation et les électrolytes à gaz liquide, etc ».

Pour mener à bien cette étude récente, le Prof. Jiao et son groupe de recherche se sont associés à d'autres équipes capables de réaliser des calculs théoriques et de caractériser les électrolytes à une échelle microscopique. Leurs efforts collaboratifs ont finalement abouti à la conception d'une nouvelle classe d'électrolytes capable de prolonger la durée de vie des batteries au lithium métal.

Les électrolytes qu'ils ont conçus sont fabriqués à partir de molécules commercialement disponibles et abordables. Leur caractéristique distinctive 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 l'IEC et donc la chimie et la structure de l'IEC », a déclaré le Prof. Jiao.

La structure de la solvatation de l'électrolyte a été intensivement adaptée au niveau microscopique dans la littérature scientifique évaluée par les pairs jusqu'à présent, en particulier la première couche de solvatation des ions lithium, mais l'ajustement structural 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-jacents à la formation de la structure agrégée de l'électrolyte.

"Notre électrolyte présente de grands agrégats compacts, formés par le compactage dense de paires d'ions lithium-anion avec liaison de coordination entre eux, que nous définissons comme l' 'agrégat compact d'ions (CIPA)'," a déclaré le professeur Jiao. "Cela marque un contraste frappant avec la domination de petits agrégats et de paires d'ions séparées dans l'électrolyte à haute concentration localisée, une catégorie d'électrolyte à la pointe de la performance des batteries à ce jour, ouvrant une nouvelle voie pour la conception d'électrolytes."

De manière notable, le nouvel électrolyte conçu par cette équipe de recherche présente une réduction collective unique sur l'anode en lithium-métal. Cela signifie que les nuages d'anions dans 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'une SEI mince et stable, qui à son tour supprime la décomposition constante de l'électrolyte.

"Grâce au comportement de transfert électronique collectif unique, notre électrolyte forme une SEI mince et conforme avec une faible teneur organique et riche en composants inorganiques à distribution uniforme, ce qui peut favoriser le flux homogène d'ions lithium à l'intérieur de la SEI et un dépôt de lithium sans dendrite," a déclaré le professeur Jiao. "Cela conduit à un dépôt de lithium homogène et compact, ce qui réduit les surfaces spécifiques de l'anode en lithium-métal pour supprimer davantage la décomposition de l'électrolyte."

De plus, le nouvel électrolyte conçu par les chercheurs présente simultanément une bonne stabilité oxydative et supprime la dissolution des éléments métalliques de transition de la cathode, améliorant ainsi la stabilité de l'interface cathodique. La stabilisation de cette interface, ainsi que celle de l'interface lithium-électrolyte, s'est avérée se traduire par un cyclage stable pendant un nombre prolongé de cycles.

"La structure de solvatation mésoscopique introduite dans notre article donne naissance à une nouvelle classe d'électrolytes, ouvrant une nouvelle voie pour la conception d'électrolytes de batteries au lithium-métal," a déclaré le professeur Jiao.

Pour évaluer le potentiel de leur nouvel électrolyte conçu, les chercheurs l'ont utilisé pour créer une cellule de poche au lithium-métal de 500 Wh/kg. Dans les tests initiaux, cette cellule a été trouvée pour conserver 91% de son énergie après avoir fonctionné pendant 130 cycles. À l'avenir, cette nouvelle conception d'électrolyte pourrait être reproduite et testée par d'autres chercheurs à travers le monde, pour évaluer davantage son potentiel à prolonger la durée de vie des batteries au lithium-métal.

"Nous prévoyons maintenant de prolonger davantage la durée de vie cyclique des cellules de poche au 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 réaliser une densité d'énergie beaucoup plus élevée avec une longue durée de vie, telle que ≥ 600 Wh/kg avec 100 à 200 cycles. Toutes ces études de recherche scientifique fondamentale sont précieuses pour réaliser le déploiement des batteries au lithium-métal dans de nombreux scénarios."

Plus d'informations: Yulin Jie et al, Towards long-life 500 Wh kg−1 lithium metal pouch cells via compact ion-pair aggregate electrolytes, Nature Energy (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01565-z

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