Des électrolytes en plastique pour de nouvelles batteries

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La popularité croissante des batteries lithium-ion au cours des dernières années pour alimenter les appareils électroniques comme les smartphones a mis à rude épreuve l’offre mondiale de cobalt et de nickel – deux métaux faisant partie intégrante de la conception actuelle des batteries – et a entraîné une flambée des prix.

Une nouvelle sorte de batteries

«Les électrodes fabriquées à partir de fluorures de métaux de transition posent depuis longtemps des problèmes de stabilité, ce qui suscite un scepticisme quant à leur capacité à être utilisées dans les batteries de la prochaine génération», a déclaré Gleb Yushin, professeur à l’école de science et génie des matériaux de Georgia Tech. « Mais nous avons montré que, lorsqu’ils sont utilisés avec un électrolyte en polymère solide, les fluorures métalliques présentent une stabilité remarquable, même à des températures élevées, ce qui pourrait éventuellement mener à des batteries lithium-ion plus sûres, plus légères et moins chères. »

Dans une batterie lithium-ion typique, de l’énergie est libérée lors du transfert des ions lithium entre deux électrodes – une anode et une cathode, une cathode comprenant du lithium et des métaux de transition tels que le cobalt, le nickel et le manganèse. Les ions circulent entre les électrodes à travers un électrolyte liquide.

Pour cette étude l’équipe a fabriqué un nouveau type de cathode à partir de matériau actif au fluorure de fer et d’un nanocomposite à électrolyte de polymère solide. Les fluorures de fer ont plus du double de la capacité en lithium des cathodes traditionnelles à base de cobalt ou de nickel. En outre, le fer est 300 fois moins cher que le cobalt et 150 fois moins cher que le nickel.

Pour produire une telle cathode, les chercheurs ont mis au point un procédé permettant d’infiltrer un électrolyte en polymère solide dans l’électrode de fluorure de fer préfabriquée. Ils ont ensuite pressé à chaud toute la structure pour augmenter la densité et réduire les vides.

Un électrolyte solide doté de propriétés élastiques 

«Les cathodes fabriquées à partir de fluorure de fer ont un potentiel énorme en raison de leur grande capacité, de leurs faibles coûts en matériaux et de leur très grande disponibilité en fer», a déclaré Yushin. «Mais les changements de volume au cours du cycle ainsi que les réactions secondaires parasites avec les électrolytes liquides et d’autres problèmes de dégradation ont limité leur utilisation auparavant. L’utilisation d’un électrolyte solide doté de propriétés élastiques résout bon nombre de ces problèmes. »

Les chercheurs ont ensuite testé plusieurs variantes de ces nouvelles batteries à semi-conducteurs pour analyser leurs performances sur plus de 300 cycles de charge et de décharge à une température élevée de 50 degrés Celsius, en notant qu’elles surpassaient les modèles précédents utilisant du fluorure de métal, même lorsqu’elles étaient maintenues au froid ou à la température ambiante.

Les chercheurs ont découvert que la clé de l’amélioration des performances de la batterie était l’électrolyte en polymère solide. En outre, les fluorures de métaux ont catalysé la décomposition des électrolytes liquides lorsque les cellules fonctionnaient à plus de 38 degrés Celsius. Cependant, au niveau de la connexion entre l’électrolyte solide et la cathode, une telle dissolution ne se produit pas et l’électrolyte solide reste remarquablement stable, empêchant ainsi de telles dégradations, ont écrit les chercheurs.

«L’électrolyte en polymère que nous avons utilisés était très courant, mais de nombreux autres électrolytes solides et autres architectures de batterie ou d’électrodes – telles que les morphologies de particules noyau-coquille – devraient pouvoir atténuer de manière aussi spectaculaire, voire totalement, les réactions parasites et atteindre des performances encore plus stables, »A déclaré Kostiantyn Turcheniuk, chercheur scientifique au laboratoire de Yushin et coauteur du manuscrit.

De nouveaux électrolytes pour une recharge plus rapide

À l’avenir, les chercheurs ont pour objectif de développer de nouveaux électrolytes solides améliorés pour permettre une recharge plus rapide, ainsi que de combiner des électrolytes solides et liquides dans de nouvelles conceptions qui seront compatibles avec les technologies de fabrication de cellules classiques utilisées dans les grandes usines de batteries.

Cette recherche a été publiée dans Nature Materials.

Source : Georgia Institute of Technology
Crédit photo : Pixabay

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