Un nouvel électrolyte pour des batteries plus robustes et plus sûres

Des chercheurs de Columbia Engineering ont mis au point un nouvel électrolyte en gel qui améliore à la fois la durée de vie et la sécurité des batteries lithium sans anode, une architecture émergente qui pourrait considérablement augmenter la densité énergétique tout en simplifiant la fabrication. Bien que cette conception promette une densité énergétique supérieure et un coût réduit, cette approche a longtemps été entravée par une courte durée de vie et des problèmes de sécurité causés par le dépôt instable de lithium et les réactions parasites à l’interface électrode-électrolyte.

L’équipe de Columbia, dirigée par Yuan Yang, professeur associé de physique appliquée et de mathématiques appliquées à Columbia Engineering, a relevé ces défis en repensant la manière dont les électrolytes polymères interagissent avec les ions lithium à l’échelle nanométrique.

Un réseau polymère « salt-phobic » qui reconfigure la solvatation des ions

Les chercheurs ont conçu un électrolyte polymère en gel contenant un réseau polymère salt-phobic parasite. Cette structure surmonte les défis précédents en repoussant sélectivement les sels de lithium tout en attirant les molécules de solvant. Ce contraste chimique unique divise spontanément l’électrolyte en domaines nanométriques avec des compositions locales différentes, ce qui favorise la formation d’une couche protectrice efficace sur la surface du lithium.

« Dans ces régions confinées, les ions lithium sont forcés de se coordonner plus fortement avec les anions plutôt qu’avec les molécules de solvant », explique Yang. « Cet environnement de solvatation riche en anions change fondamentalement la façon dont l’interphase d’électrolyte solide se forme. » 

Là où les tentatives précédentes pour résoudre ce problème utilisaient de grandes quantités d’électrolytes fluorés, la nouvelle approche incorpore les électrolytes directement dans le squelette polymère. Cela a permis aux chercheurs de développer des batteries plus petites, moins chères et plus efficaces. 

Stabilisation de l’interface lithium-électrolyte

La spectroscopie avancée, la microscopie électronique cryogénique et les simulations moléculaires ont révélé que ce réseau salt-phobic favorise la formation d’une interphase mince et riche en composés inorganiques. Cette interphase permet un dépôt de lithium plus lisse et plus dense et supprime les réactions parasites qui consomment généralement le lithium actif dans les cellules sans anode. En conséquence, des cellules en poches sans anode utilisant le nouvel électrolyte en gel ont conservé plus de 80 % de leur capacité après des centaines de cycles dans des conditions exigeantes, notamment une capacité surfacique élevée, une faible teneur en électrolyte et une faible pression externe—des paramètres qui ressemblent étroitement à ceux requis pour les batteries de véhicules électriques pratiques.

Sécurité renforcée dans des conditions extrêmes

Au-delà de l’allongement de la durée de vie de la batterie, l’électrolyte en gel améliore également la stabilité thermique. Dans des tests de contrainte, des cellules en poches sans anode multicouches équipées du nouvel électrolyte ont résisté à un perçage agressif sans emballement thermique, tandis que des cellules comparables utilisant des électrolytes liquides conventionnels ont pris feu ou explosé. « Ces résultats montrent que la chimie des polymères peut être un levier puissant et sous-exploré pour contrôler la structure de solvatation et la stabilité interfaciale », souligne le premier auteur de l’étude, Shengyu Cong, un chercheur postdoctoral auprès de Yang. Yang ajoute : « En intégrant directement la sécurité et la durabilité dans l’architecture de l’électrolyte, nous pouvons rapprocher les batteries sans anode d’un déploiement réel. »

Vers des batteries pratiques à haute énergie

Ces travaux mettent en lumière un nouveau principe de conception pour les électrolytes en gel, utilisant la chimie du squelette polymère pour concevoir des environnements de solvatation à l’échelle nanométrique plutôt que de s’appuyer sur des formulations d’électrolytes extrêmes. Les chercheurs estiment que cette stratégie pourrait être étendue au-delà du lithium à d’autres batteries à métaux alcalins, ouvrant de nouvelles voies pour des technologies de stockage plus sûres et à haute densité énergétique.

Article : Gel electrolyte featuring parasitic salt-phobic network enables anode-free lithium batteries with long cycle life and enhanced thermal stability – Journal : Joule

Source : Columbia U.