L’électrolyte intelligent offre une double protection contre l’emballement thermique des batteries lithium-ion

Les chercheurs de l’IMDEA Materials ont réalisé une percée importante dans l’amélioration de la sécurité des batteries lithium-ion (LIB), qui alimentent tous les appareils, des smartphones aux véhicules électriques.

Pour tenter de remédier aux risques posés par l’emballement thermique, un mode de défaillance dangereux qui peut entraîner des incendies ou des explosions dans les batteries au lithium-ion, un récent projet de recherche d’IMDEA Materials a présenté une nouvelle formulation d’électrolyte thermoresponsive.

Cette recherche innovante est l’un des principaux résultats du projet Marie Skłodowska-Curie du Dr Arnab Ghosh, « Smart electrolyte with inherent flame-retardancy for next generation fire-safe lithium-ion batteries » ou « Électrolyte intelligent avec retardateur de flamme inhérent pour la prochaine génération de batteries lithium-ion sûres contre l’incendie » (SMARTBATT). Cette avancée fait progresser la vision établie par le programme « Battery 2030+ » de la Commission européenne pour développer des batteries sûres et durables.

Les détails des activités d’arrêt thermique efficaces de la nouvelle formulation d’électrolyte thermoresponsive sont décrits dans un récent article de recherche intitulé « Deciphering a new electrolyte formulation for intelligent modulation of thermal runaway to improve the safety of lithium-ion batteries » (Décrypter une nouvelle formulation d’électrolyte pour une modulation intelligente de l’emballement thermique afin d’améliorer la sécurité des batteries lithium-ion), publié dans Advanced Functional Materials.

Dans les cellules photovoltaïques commerciales, l’emballement thermique est généralement contrôlé à l’aide de séparateurs tricouches en polypropylène/polyéthylène (PP/PE/PP) sensibles à la température. Cependant, en raison du retrait thermique à environ 160°C, ces séparateurs ne parviennent souvent pas à empêcher l’emballement thermique dans les LIB pratiques, où les températures internes peuvent facilement dépasser cette plage.

Une façon de résoudre ce problème est d’introduire des électrolytes sensibles à la température, notamment des électrolytes à température de solution critique plus basse, qui constituent une alternative prometteuse.

Ces électrolytes sont conçus pour interrompre immédiatement le transport de l’ion lithium dans la batterie lorsqu’un seuil de température spécifique (généralement 100-120°C) est dépassé, ce qui limite les hausses de température interne et réduit le risque de défaillance catastrophique due au rétrécissement thermique des séparateurs tricouches.

Plus précisément, les chercheurs ont mis au point un électrolyte composé d’un sel de lithium dissous dans du carbonate de vinylène (VC) et du 2,5-diméthylfurane (DMFu) qui fonctionne efficacement dans les batteries à température ambiante.

« À des températures élevées, il a été démontré que ces électrolytes thermorésistants réduisent considérablement la conductivité du lithium de l’électrolyte et, en même temps, obstruent les micropores du séparateur », explique le chercheur principal, le Dr Ghosh.

« Ces deux effets permettent une régulation intelligente en deux étapes de l’emballement thermique, en déclenchant une phase d’alerte à 100 °C et en réalisant un arrêt thermique complet à 120 °C, ce qui offre une protection intégrée contre les risques d’incendie des piles à combustible. »

Article : « Deciphering a New Electrolyte Formulation for Intelligent Modulation of Thermal Runaway to Improve the Safety of Lithium-Ion Batteries » – DOI : 10.1002/adfm.202502761

La recherche, supervisée par le professeur De-Yi Wang, chercheur principal à IMDEA Materials, a été soutenue par les membres de l’équipe IMDEA Materials Dr Sunan Tian, Mingyang Zhang, Dr Monsur Islam, et Qi Chen. En outre, le projet est le fruit d’une collaboration entre des chercheurs de l’université Rey Juan Carlos de Madrid, notamment le professeur Silvia González Prolongo et le docteur Isaac Lorero Gómez, ainsi que Bhavika Bhatia et le professeur Bimlesh Lochab de la Shiv Nadar Institution of Eminence, en Inde.