Un ingrédient du dentifrice booste les performances des batteries

Lorsque l’on pense au fluorure de sodium, couramment utilisé dans de nombreux dentifrices, c’est généralement pour sa capacité à protéger contre les caries. Pourtant, ce composé de fluor a des utilisations bien plus étonnantes.

Les scientifiques du Département de l’Énergie des États-Unis (DOE) et du Laboratoire national d’Argonne ont récemment découvert une utilisation du fluorure en tant qu’électrolyte pouvant préserver les performances des batteries de nouvelle génération.

« Une nouvelle génération prometteuse de batteries pour véhicules électriques se profile à l’horizon », déclare Zhengcheng (John) Zhang, chef de groupe au sein de la division des sciences et de l’ingénierie chimiques d’Argonne.

Les batteries non-lithium-ion : une énergie deux fois plus puissante

Les batteries non-lithium-ion présentent une énergie deux fois supérieure ou plus, par volume ou par poids, comparée aux batteries lithium-ion. Ces dernières pourraient un jour propulser des camions sur de longues distances et même des avions. Le principal défi reste toutefois la diminution rapide de leur haute densité énergétique lors des cycles répétés de charge et de décharge.

« Les batteries au lithium métallique avec notre électrolyte à cation fluoré pourraient considérablement stimuler l’industrie du véhicule électrique. Et l’utilité de cet électrolyte s’étend sans aucun doute à d’autres types de systèmes de batteries avancés au-delà du lithium-ion. » – John Zhang, chef de groupe dans la division des sciences et de l’ingénierie chimiques.

Conception d’une batterie au lithium métal avec un électrolyte contenant un cation fluoré (structure atomique au centre). La zone « interface » représente la couche de fluor qui se forme sur la surface de l’anode, ainsi que sur la surface de la cathode. Crédit / image Argonne National Laboratory.

La solution : un électrolyte au fluorure

Les chercheurs se sont penchés sur l’électrolyte, ce liquide par lequel les ions lithium se déplacent entre la cathode et l’anode pendant la charge et la décharge. Dans les batteries au lithium métallique, l’électrolyte ne forme pas de couche protectrice adéquate sur la surface de l’anode pendant les premiers cycles. Cette couche, également appelée interface solide-électrolyte (SEI), joue le rôle de gardien, permettant aux ions lithium de circuler librement dans l’anode pour charger et décharger la batterie.

C’est en remplaçant l’hydrogène par du fluor dans la structure annulaire de la partie cation de l’électrolyte que l’équipe est parvenue à maintenir des performances élevées sur plusieurs centaines de cycles dans une cellule de test au lithium métallique.

De la théorie à la pratique : le rôle de la superinformatique

Pour mieux comprendre le mécanisme à l’échelle atomique, l’équipe a recours aux ressources informatiques de haute performance du Argonne Leadership Computing Facility (ALCF). Selon Zhang, les simulations réalisées sur le supercalculateur Theta de l’ALCF ont révélé que les cations fluor se collent et s’accumulent sur les surfaces des anodes et des cathodes avant tout cycle de charge-décharge.

Ensuite, pendant les premiers stades du cyclage, une couche SEI résiliente se forme, supérieure à ce qui est possible avec les électrolytes précédents.

En synthèse

La nouvelle électrolyte de l’équipe offre de nombreux autres avantages. Elle est économique, car elle peut être produite avec une pureté et un rendement extrêmement élevés en une seule étape. Elle est respectueuse de l’environnement, car elle utilise beaucoup moins de solvant, qui est volatile et peut libérer des contaminants. Et elle est plus sûre car elle n’est pas inflammable.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un électrolyte au fluorure ?

Un électrolyte au fluorure est un composé dans lequel des atomes de fluor sont utilisés pour remplacer l’hydrogène dans la structure de l’électrolyte. Cet électrolyte joue un rôle crucial dans la batterie en permettant aux ions lithium de circuler entre la cathode et l’anode lors des phases de charge et de décharge.

Quels sont les avantages d’une batterie non-lithium-ion ?

Les batteries non-lithium-ion présentent une densité énergétique plus élevée, ce qui signifie qu’elles peuvent stocker deux fois plus d’énergie pour un même volume ou poids que les batteries lithium-ion. Cela pourrait permettre à des véhicules électriques de parcourir de plus longues distances, voire de propulser des camions ou des avions à l’avenir. Cependant, la grande densité énergétique de ces batteries tend à diminuer rapidement lors de cycles répétés de charge et de décharge.

Comment fonctionne le nouveau processus d’électrolyte au fluorure ?

Le nouveau processus d’électrolyte au fluorure implique le remplacement de l’hydrogène par du fluor dans la structure de l’électrolyte. Ce changement permet à l’électrolyte de former une couche protectrice adéquate sur la surface de l’anode durant les premiers cycles. Cette couche, appelée interface solide-électrolyte (SEI), permet aux ions lithium de circuler librement dans l’anode pour charger et décharger la batterie, améliorant ainsi la durabilité et l’efficacité de la batterie.

Quel est le rôle de l’interface solide-électrolyte (SEI) ?

L’interface solide-électrolyte (SEI) joue un rôle crucial dans le fonctionnement des batteries. C’est une couche qui se forme à la surface de l’anode et agit comme une barrière protectrice, permettant aux ions lithium de circuler librement pour charger et décharger la batterie. Une SEI efficace est essentielle pour maintenir les performances de la batterie sur plusieurs centaines de cycles.

Un article sur cette recherche a été publié dans Nature Communications. Outre M. Zhang, les auteurs d’Argonne sont Qian Liu, Wei Jiang, Jiayi Xu, Zhenzhen Yang, Doo-Joo Yoo, Krzysztof Z. Pupek et Cong Liu. Parmi les autres contributeurs figurent Chongmin Wang et Yaobin Xu du Pacific Northwest National Laboratory et Kang Xu du U.S. Army Research Laboratory.