Une chimie de la batterie conçue pour des capacités de charge rapide

Pour améliorer les batteries des véhicules électriques, des chimistes du Laboratoire National de Brookhaven du Département de l’Énergie des États-Unis (DOE) ont utilisé un additif d’électrolyte pour améliorer la fonctionnalité des batteries au lithium métallique à haute densité énergétique.

En ajoutant un composé appelé nitrate de césium à l’électrolyte qui sépare l’anode et la cathode de la batterie, l’équipe de recherche a amélioré de manière significative le taux de charge des batteries au lithium métallique tout en conservant une longue durée de vie. Le travail récent de l’équipe, publié dans Nature Communications, cible l’interphase – une couche protectrice formée sur l’anode et la cathode de la batterie.

Cette couche, qui empêche la dégradation des électrodes de la batterie, est la clé pour créer des batteries au lithium métallique qui peuvent être chargées et déchargées autant de fois que les batteries au lithium-ion.

Un pas vers un objectif plus grand

Le Dr Hu et son équipe travaillent parmi d’autres experts en batteries dans le cadre du Consortium Battery500, une collaboration de plusieurs laboratoires nationaux et universités.

Le Consortium, dirigé par le Laboratoire National du Pacifique Nord du DOE, s’efforce de fabriquer des batteries avec une densité énergétique de 500 watt-heures par kilogramme – plus du double de la densité énergétique des batteries d’aujourd’hui.

Cette densité énergétique ne peut être atteinte dans les batteries au lithium-ion qui alimentent la plupart des appareils à batterie d’aujourd’hui – dont les téléphones, les télécommandes de télévision, et même les véhicules électriques.

Ainsi, les scientifiques ont dû se tourner vers les batteries au lithium métallique pour poursuivre leurs objectifs.

Une découverte inattendue

En plus de stabiliser avec succès la batterie, l’additif d’électrolyte de Rahman a modifié la chimie de la batterie de manière inattendue.

« Les découvertes de Mominur remettent en question les croyances conventionnelles sur les composants d’une interphase efficace », a expliqué Enyuan Hu, chimiste de Brookhaven et chercheur principal au sein du groupe de stockage d’énergie électrochimique. « Nous sommes impatients de voir comment ces découvertes contribuent à l’effort majeur du DOE axé sur les batteries au lithium métallique. »

Un regard sur l’interphase

Pour mieux comprendre comment l’additif de nitrate de césium influençait la composition de l’électrolyte et les performances de la batterie, les chimistes ont apporté les nouvelles batteries à la Source de Lumière Synchrotron Nationale II (NSLS-II), une installation de l’Office des Sciences du DOE à Brookhaven Lab.

NSLS-II est l’une des sources de lumière à rayons X les plus avancées au monde, produisant des faisceaux de lumière qui sont 10 milliards de fois plus brillants que le soleil.

Une nouvelle compréhension de la chimie des batteries

Les scientifiques ont découvert que l’additif de nitrate de césium augmentait la présence de composants connus pour rendre l’interphase plus protectrice. Les données de diffraction des rayons X, cependant, avaient une surprise en réserve. En plus des composants cristallins typiques, un composé appelé bis(fluorosulfonyl)imide de césium a également été identifié.

« Ce composant de l’interphase n’avait jamais été signalé auparavant », a conclu Rahman, soulignant la nouveauté de la découverte.

Légende illustration : De gauche à droite : Sanjit Ghose, scientifique de la ligne de faisceau de Brookhaven, avec les chimistes Enyuan Hu et Muhammad Mominur Rahman sur la ligne de faisceau de diffraction des poudres de rayons X de la Source nationale de rayonnement synchrotron II. (Jessica Rotkiewicz/Brookhaven National Laboratory)

Article : « An inorganic-rich but LiF-free interphase for fast charging and long cycle life lithium metal batteries » – DOI: 10.1038/s41467-023-44282-z