Alors que nos besoins en batteries haute densité augmentent avec l’adoption généralisée des voitures électriques et des sources d’énergie alternatives, l’amélioration de la stabilité et de la capacité des batteries lithium-ion est une nécessité. La technologie actuelle des batteries lithium-ion, qui utilise souvent du nickel, est moins stable à des températures extrêmes, ce qui entraîne une surchauffe due à la fois à la température et aux hautes tensions. Ces batteries ont également tendance à se détériorer rapidement.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs étudient de nouvelles combinaisons chimiques qui peuvent remédier à ces inconvénients. Dans une étude récente, des scientifiques ont démontré comment un solvant et un additif composé inorganique peuvent améliorer la stabilité et les performances des batteries lithium-ion à cathodes de nickel.
Ils ont publié leurs résultats le 12 septembre dans Nano-recherche.
Les bases du fonctionnement des piles sont les mêmes, que vous envisagiez une pile lithium-ion industrielle ou une pile AA domestique moyenne. La cathode est l’électrode positive, l’anode est l’électrode négative, et entre elles à l’intérieur de la batterie se trouve une solution appelée électrolyte. Des ions chargés positivement et négativement traversent l’électrolyte et une réaction chimique génère de l’énergie électrique. Dans cette étude, les chercheurs ont identifié un électrolyte liquide à base de sulfolane auquel du perchlorate de lithium a été ajouté comme solution potentielle aux inconvénients courants des batteries lithium-ion.
« Pour les cathodes à base de nickel, de bonnes performances électrochimiques à basse température sont généralement obtenues au détriment des propriétés et de la sécurité à température ambiante. En effet, les électrolytes contenant des solvants à bas point de fusion se détériorent considérablement. La volatilité et l’inflammabilité élevées de ces électrolytes limitent également leur application. à des températures élevées », a déclaré le professeur Fang Lian de l’École des sciences et de l’ingénierie des matériaux de l’Université des sciences et technologies de Pékin, en Chine. En ajoutant du perchlorate de lithium au sulfolane, les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient améliorer bon nombre de ces inconvénients.
Le sulfolane est un solvant qui a été créé à l’origine pour être utilisé dans l’industrie pétrolière et gazière, mais il est maintenant utilisé dans de nombreux contextes industriels différents car il reste stable à des températures élevées. Le perchlorate de lithium est un composé inorganique qui est combiné avec le sulfolane pour aider à maintenir la stabilité de l’électrolyte. Un troisième produit chimique est ajouté pour diluer l’électrolyte et aider à la stabilité de l’électrolyte dans une large gamme de températures.
Pour tester le bon fonctionnement de l’électrolyte proposé, les chercheurs ont créé une batterie à l’aide de l’électrolyte et ont effectué une série de tests et de calculs théoriques.
Ils ont découvert que le solvant était capable de maintenir la conductivité dans une large gamme de températures, variant de -60 à 55 degrés Celsius. En comparaison, les électrolytes traditionnels ont tendance à se solidifier à des températures inférieures à -20 degrés Celsius. L’ajout de perchlorate de lithium à l’électrolyte renforce la façon dont les différents produits chimiques de l’électrolyte interagissent les uns avec les autres et réduit la quantité d’énergie requise, ce qui facilite le travail de l’électrolyte à des températures plus basses.
« L’électrolyte dilué à base de sulfolane à haute concentration avec un additif de perchlorate de lithium réalise l’application à large température dans les cellules haute tension. Cette combinaison améliore le transfert lithium-ion et réduit l’énergie de désolvatation, tout en inhibant la décomposition continue de l’électrolyte et la détérioration aiguë de la cathode à des températures élevées », a déclaré Lian. « Notre travail fournit une compréhension globale de la conception moléculaire de l’électrolyte, facilitant le développement de batteries au lithium à haute densité d’énergie. »
Yixin Zhu et al, L’électrolyte liquide à base de sulfolane avec additif LiClO4 pour la cathode ternaire à haute température de fonctionnement en nickel, Nano-recherche (2022). DOI : 10.1007/s12274-022-4852-y
Fourni par Tsinghua University Press