Alors que le monde évolue vers un avenir plus durable, le développement de dispositifs électrochimiques avancés, tels que des batteries rechargeables avec des densités énergétiques plus élevées et des capacités d’électrodéposition efficaces, devient de plus en plus crucial. Ces dernières années, les solutions électrolytiques ultra-concentrées, dans lesquelles les sels métalliques sont dissous à des concentrations deux à trois fois supérieures à celles d’un seul solvant, ou les mélanges dans lesquels les sels métalliques sont dissous de manière excessive dans un seul solvant, ont attiré l’attention en tant que nouvelles solutions électrolytiques.
Ces solutions restent liquides à température ambiante et permettent une conduction ionique élevée ainsi qu’une formation de films métalliques de haute qualité et à haut rendement. Cependant, la définition physico-chimique ou thermodynamique de ces liquides reste floue. De plus, l’identification des espèces dissoutes et la compréhension de leurs structures, qui sont cruciales pour leur utilisation comme électrolytes, constituent un défi de taille.
Une équipe de recherche de l’Université de Niigata, dirigée par le professeur Yasuhiro Umebayashi et le Dr Jihae Han, ainsi que par le Dr Hikari Watanabe de l’Université des sciences de Tokyo, a étudié, du point de vue de la chimie des solutions, les mécanismes de conduction spécifique des ions lithium dans les liquides ioniques de solvatation de lithium et les solutions électrolytiques hautement concentrées. Ils ont découvert un nouvel électrolyte liquide vitreux, un mélange à deux composants de sulfone cyclique et de sel de lithium, qui présente une transition vitreuse sur une large gamme de compositions.
De plus, pour élucider le nombre de transfert Li+ particulièrement élevé dans ces mélanges, la spéciation et la dynamique de réorientation des dipôles ont été étudiées pour fournir des preuves de la formation d’agrégats de grande taille dans ces mélanges. Ces résultats ont été publiés dans la revue Discussions sur Faraday le 10 juin 2024.
Les propriétés thermophysiques des mélanges binaires sel de lithium-1,3-propanesultone (PS) et sel de lithium-sulfolane (SL) ont montré que seule une transition vitreuse était observée dans une certaine plage de concentrations de sel de lithium. La spectroscopie Raman a révélé que les ions lithium existent en solution sous forme de paires d’ions de contact (CIP) et d’agrégats (AGG) en solution.
De plus, l’analyse de corrélation bidimensionnelle des spectres Raman et des spectres de relaxation diélectrique (DRS) a permis d’attribuer avec succès la relaxation observée dans le DRS. Cela suggère que les AGG générés à une concentration élevée en sel de lithium ont une grande échelle spatiale et jouent un rôle important dans la conduction spécifique des ions lithium.
Pour atteindre les Objectifs de développement durable (ODD) et les objectifs de la Société-5, il existe une demande croissante de dispositifs de stockage d’énergie de nouvelle génération capables de stocker efficacement l’énergie électrique et adaptés à des applications spécifiques. Le développement de ces dispositifs, utilisant des électrolytes liquides et solides, est devenu plus avancé.
« Nos recherches sur les électrolytes liquides à base de verre marquent une avancée significative vers la réduction de l’écart entre les électrolytes liquides et solides traditionnels », explique le professeur Yasuhiro Umebayashi, auteur correspondant. « Ces matériaux offrent des avantages uniques en termes d’efficacité et d’adaptabilité aux applications spécifiques, ouvrant la voie aux dispositifs de stockage d’énergie de nouvelle génération. »
Plus d’informations :
Yasuhiro Umebayashi et al., Spéciation et dynamique de réorientation des dipôles des électrolytes liquides vitreux : Li[N(SO2CF3)2] mélanges de 1,3-propane sultone ou de tétrahydrothiophène-1,1-dioxyde, Discussions sur Faraday (2024). DOI: 10.1039/D4FD00050A