Publié à l'origine le Stanford | Actualités scientifiques
Par Mark Shwartz
Des chercheurs de Stanford ont conçu un nouvel électrolyte pour les batteries au lithium métal qui pourrait augmenter l'autonomie des voitures électriques. Regardez la vidéo ci-dessous.
Un nouvel électrolyte à base de lithium inventé par des scientifiques de l'université de Stanford pourrait ouvrir la voie à la prochaine génération de véhicules électriques alimentés par batterie.
Test de combustibilité sur un nouvel électrolyte pour batteries au lithium métal (avec l'aimable autorisation de Stanford ENERGY)
Dans une étude publiée le 22 juin dans Nature Energy , des chercheurs de Stanford démontrent comment leur nouvelle conception d'électrolyte améliore les performances des batteries au lithium métal, une technologie prometteuse pour alimenter les véhicules électriques, les ordinateurs portables et d'autres appareils.
"La plupart des voitures électriques fonctionnent avec des batteries lithium-ion, qui approchent rapidement de leur limite théorique de densité d'énergie", a déclaré le co-auteur de l'étude, Yi Cui, professeur de science et d'ingénierie des matériaux et de science des photons au SLAC National Accelerator Laboratory. "Notre étude s'est concentrée sur les batteries au lithium métal, qui sont plus légères que les batteries lithium-ion et peuvent potentiellement fournir plus d'énergie par unité de poids et de volume."
Les batteries lithium-ion, utilisées dans tout, des smartphones aux voitures électriques, ont deux électrodes - une cathode chargée positivement contenant du lithium et une anode chargée négativement généralement en graphite. Une solution d'électrolyte permet aux ions lithium de faire la navette entre l'anode et la cathode lorsque la batterie est utilisée et lorsqu'elle se recharge.
Une batterie au lithium métal peut contenir environ deux fois plus d'électricité par kilogramme qu'une batterie lithium-ion conventionnelle d'aujourd'hui. Pour ce faire, les batteries au lithium métal remplacent l'anode en graphite par du lithium métal, qui peut stocker beaucoup plus d'énergie.
"Les batteries au lithium métal sont très prometteuses pour les véhicules électriques, où le poids et le volume sont une grande préoccupation", a déclaré le co-auteur de l'étude Zhenan Bao, du K.K. Lee Professeur à l'École d'ingénierie. « Mais pendant le fonctionnement, l'anode au lithium métallique réagit avec l'électrolyte liquide. Cela provoque la croissance de microstructures de lithium appelées dendrites à la surface de l'anode, ce qui peut provoquer un incendie et une défaillance de la batterie. »
Les chercheurs ont passé des décennies à essayer de résoudre le problème des dendrites.
"L'électrolyte a été le talon d'Achille des batteries au lithium métal", a déclaré le co-auteur principal Zhiao Yu, étudiant diplômé en chimie. "Dans notre étude, nous utilisons la chimie organique pour concevoir et créer de manière rationnelle de nouveaux électrolytes stables pour ces batteries."
Pour l'étude, Yu et ses collègues ont cherché à savoir s'ils pouvaient résoudre les problèmes de stabilité avec un électrolyte liquide courant disponible dans le commerce.
"Nous avons émis l'hypothèse que l'ajout d'atomes de fluor sur la molécule d'électrolyte rendrait le liquide plus stable", a déclaré Yu. « Le fluor est un élément largement utilisé dans les électrolytes des batteries au lithium. Nous avons utilisé sa capacité à attirer les électrons pour créer une nouvelle molécule qui permet à l'anode de lithium métallique de bien fonctionner dans l'électrolyte."
Le résultat a été un nouveau composé synthétique, abrégé FDMB, qui peut être facilement produit en vrac.
"Les conceptions d'électrolytes deviennent très exotiques", a déclaré Bao. "Certains se sont montrés très prometteurs mais sont très coûteux à produire. La molécule FDMB que Zhiao a inventée est facile à fabriquer en grande quantité et assez bon marché. »
L'équipe de Stanford a testé le nouvel électrolyte dans une batterie au lithium métal.
Les résultats ont été spectaculaires. La batterie expérimentale a conservé 90 % de sa charge initiale après 420 cycles de charge et de décharge. Dans les laboratoires, les batteries au lithium métal typiques cessent de fonctionner après environ 30 cycles.
Les chercheurs ont également mesuré l'efficacité avec laquelle les ions lithium sont transférés entre l'anode et la cathode pendant la charge et la décharge, une propriété connue sous le nom d'"efficacité coulombique".
"Si vous chargez 1 000 ions lithium, combien en récupérez-vous après avoir déchargé?" dit Cui. "Idéalement, vous voulez 1 000 sur 1 000 pour une efficacité coulombique de 100 %. Pour être commercialement viable, une cellule de batterie doit avoir une efficacité coulombique d'au moins 99,9 %. Dans notre étude, nous avons obtenu 99,52 % dans les demi-cellules et 99,98 % dans les cellules pleines ; une performance incroyable.”
Pour une utilisation potentielle dans l'électronique grand public, l'équipe de Stanford a également testé l'électrolyte FDMB dans des cellules de poche au lithium métal sans anode - des batteries disponibles dans le commerce avec des cathodes qui fournissent du lithium à l'anode.
"L'idée est de n'utiliser le lithium que du côté cathode pour réduire le poids", a déclaré le co-auteur principal Hansen Wang, étudiant diplômé en science et ingénierie des matériaux. "La batterie sans anode a fonctionné 100 cycles avant que sa capacité ne tombe à 80 % - pas aussi bonne qu'une batterie lithium-ion équivalente, qui peut durer de 500 à 1 000 cycles, mais reste l'une des cellules sans anode les plus performantes."
"Ces résultats sont prometteurs pour une large gamme d'appareils", a ajouté Bao. "Les batteries légères et sans anode seront une caractéristique intéressante pour les drones et de nombreux autres appareils électroniques grand public."
Le Département américain de l'énergie (DOE) finance un grand consortium de recherche appelé Battery500 pour rendre viables les batteries au lithium métal, ce qui permettrait aux constructeurs automobiles de construire des véhicules électriques plus légers capables de parcourir des distances beaucoup plus longues entre les charges. Cette étude a été financée en partie par une subvention du consortium, qui comprend Stanford et SLAC.
En améliorant les anodes, les électrolytes et d'autres composants, Battery500 vise à presque tripler la quantité d'électricité qu'une batterie au lithium métal peut fournir, d'environ 180 wattheures par kilogramme lorsque le programme a débuté en 2016 à 500 wattheures par kilogramme. Un rapport énergie/poids plus élevé, ou « énergie spécifique », est essentiel pour résoudre l'anxiété d'autonomie que les acheteurs potentiels de voitures électriques ont souvent.
"La batterie sans anode de notre laboratoire a atteint environ 325 wattheures par kilogramme d'énergie spécifique, un nombre respectable", a déclaré Cui. "Notre prochaine étape pourrait être de travailler en collaboration avec d'autres chercheurs de Battery500 pour construire des cellules qui approchent l'objectif du consortium de 500 wattheures par kilogramme."
En plus d'une durée de vie plus longue et d'une meilleure stabilité, l'électrolyte FDMB est également beaucoup moins inflammable que les électrolytes conventionnels, comme les chercheurs l'ont démontré dans cette vidéo.
"Notre étude fournit essentiellement un principe de conception que les gens peuvent appliquer pour trouver de meilleurs électrolytes", a ajouté Bao. "Nous venons de montrer un exemple, mais il existe de nombreuses autres possibilités."
Les autres co-auteurs de Stanford incluent Jian Qin , professeur adjoint de génie chimique ; les boursiers postdoctoraux Xian Kong, Kecheng Wang, Wenxiao Huang, Snehashis Choudhury et Chibueze Amanchukwu; les étudiants diplômés William Huang, Yuchi Tsao, David Mackanic, Yu Zheng et Samantha Hung; et les étudiants de premier cycle Yuting Ma et Eder Lomeli. Xinchang Wang de l'Université de Xiamen est également co-auteur. Zhenan Bao et Yi Cui sont des chercheurs seniors à Stanford Institut de l'énergie de Précourt . Cui est également chercheur principal au Institut de Stanford pour les sciences des matériaux et de l'énergie , un joint Programme de recherche SLAC/Stanford.
Ce travail a également été soutenu par le programme de recherche sur les matériaux de batterie du DOE Office of Vehicular Technologies. L'installation utilisée à Stanford est soutenue par la National Science Foundation.
"Test de combustibilité sur un nouvel électrolyte pour les batteries au lithium métal", image en vedette avec l'aimable autorisation de la vidéo Stanford ENERGY
