Des batteries lithium-ion plus sûres à l’horizon grâce à une avancée scientifique

La menace d’incendie associée aux batteries lithium-ion pourrait bientôt appartenir au passé, grâce à une récente innovation dans le domaine de la chimie des électrolytes. Un groupe de chercheurs éminents a réussi à développer un électrolyte qui reste stable et non inflammable à température ambiante, révolutionnant ainsi les normes de sécurité des batteries que nous utilisons chaque jour.

La crainte d’incendies et d’explosions liés à l’utilisation de batteries lithium-ion de moyenne et grande taille est une préoccupation grandissante. Ces accidents peuvent survenir lorsque les batteries sont court-circuitées à la suite d’impacts externes, de mauvaises manipulations ou de vieillissement, déclenchant une réaction en chaîne dite de « décomposition thermique » rendant l’extinction du feu particulièrement ardue et présentant un risque élevé pour la sécurité des personnes.

Plus spécifiquement, le problème provient du carbonate organique linéaire utilisé dans les électrolytes commerciaux pour batteries lithium-ion, qui a un point d’éclair bas et s’enflamme facilement même à température ambiante. C’est une cause directe d’allumage.

Une solution innovante

Dr. Minah Lee du KIST (Institut coréen des sciences et technologies), en collaboration avec Professeur Dong-Hwa Seo du KAIST et Dr. Yong-Jin Kim et Dr. Jayeon Baek de KITECH, a révolutionné le domaine en créant un nouvel électrolyte, le bis(2-méthoxyéthyl) carbonate (BMEC).

Ils ont réussi à augmenter le point d’éclair et la conductivité ionique de l’électrolyte en modifiant la structure moléculaire du carbonate organique linéaire. Cela a été accompli en appliquant simultanément une extension de chaîne alkyle et une substitution alkoxy à la molécule de carbonate de diéthyle (DEC).

Des résultats prometteurs

Le BMEC a un point d’éclair de 121°C, soit 90°C de plus que la solution DEC conventionnelle, et n’est donc pas inflammable dans la plage de température d’utilisation habituelle des batteries. De plus, il conserve plus de 92% de la capacité de débit d’origine de l’électrolyte conventionnel tout en réduisant considérablement les risques d’incendie.

Par ailleurs, le nouvel électrolyte a permis de réduire de 37% l’évolution des gaz combustibles et de 62% la génération de chaleur par rapport à l’électrolyte conventionnel.

Le BMEC a prouvé sa stabilité avec plus de 500 cycles d’opération de batteries lithium-ion de 1Ah, en combinaison avec une cathode à haute teneur en nickel et une anode en graphite.

« Les résultats de cette recherche offrent une nouvelle orientation pour la conception d’électrolytes non inflammables, qui sacrifiait jusqu’à présent les propriétés électrochimiques ou la faisabilité économique. L’électrolyte non inflammable que nous avons développé a une compétitivité en termes de coût et une excellente compatibilité avec des matériaux d’électrode à haute densité d’énergie, donc il est prévu qu’il puisse être appliqué à l’infrastructure de fabrication de batteries conventionnelle. En fin de compte, il accélérera l’émergence de batteries hautes performances avec une excellente stabilité thermique. », a commenté le Dr. Minah Lee du KIST.

Le Dr Jayeon Baek de KITECH a ajouté : « La solution BMEC mise au point dans le cadre de cette recherche peut être synthétisée par transestérification à l’aide de catalyseurs peu coûteux et être facilement mise à l’échelle. À l’avenir, nous développerons la méthode de synthèse en utilisant du gaz C1 (CO ou CO2) pour améliorer encore son caractère écologique.« 

En synthèse

L’équipe de recherche a franchi une étape significative vers la résolution des problèmes de sécurité liés aux batteries lithium-ion. L’électrolyte non inflammable qu’ils ont développé pourrait bien ouvrir la voie à des batteries plus sûres et plus performantes dans le futur.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que le BMEC ?

Le BMEC, ou bis(2-méthoxyéthyl) carbonate, est un nouvel électrolyte développé par une équipe de chercheurs pour résoudre les problèmes de sécurité liés aux batteries lithium-ion.

Quels sont les avantages du BMEC par rapport aux électrolytes conventionnels ?

Le BMEC a un point d’éclair plus élevé que les électrolytes conventionnels, ce qui signifie qu’il ne s’enflamme pas dans les conditions normales d’utilisation des batteries. De plus, il conserve une grande partie de la capacité de débit de l’électrolyte traditionnel tout en réduisant les risques d’incendie.

Quelle est la prochaine étape pour ces chercheurs ?

L’équipe de recherche envisage de développer une méthode de synthèse utilisant du gaz C1 (CO ou CO2) pour améliorer encore l’aspect écologique de leur solution.

Article : « Molecularly engineered linear organic carbonates as practically viable nonflammable electrolytes for safe Li-ion batteries » – DOI : 10.1039/d3ee00157a 

Légende illustration principale : (À gauche) Électrolyte d’une batterie lithium-ion commerciale (DEC) et nouvel électrolyte (BMEC) mis au point par une équipe de recherche conjointe du KIST, du KITECH et du KAIST (à droite). Crédit : Korea Institute of Science and Technology