Un nouveau design de batterie : plus d'énergie et moins d'impact sur l'environnement

Parmi les batteries haute performance prometteuses de la prochaine génération, elles figurent en tête de liste : les batteries lithium-métal. Elles peuvent stocker au moins deux fois plus d'énergie par unité de volume que les batteries lithium-ion largement répandues aujourd'hui. Cela signifie qu'une voiture électrique peut parcourir deux fois plus de distance avec une seule charge ou qu'il faut recharger moins souvent son smartphone.

Actuellement, les batteries lithium-métal présentent toutefois encore un inconvénient majeur : de grandes quantités de solvants et de sels contenant du fluor doivent être ajoutées au liquide électrolytique, au détriment de leur empreinte écologique. Sans ce fluor, les batteries lithium-métal seraient instables, elles ne fonctionneraient plus après quelques cycles de charge et des courts-circuits pourraient se produire ou elles surchaufferaient et s'enflammeraient. Maria Lukatskaya, professeure à l'ETH en systèmes énergétiques électrochimiques, et son équipe ont développé une nouvelle méthode pour réduire drastiquement la quantité de fluor dans les batteries lithium-métal, les rendant ainsi plus écologiques, plus stables et moins chères.

Efficacité et sécurité gr?ce à une couche de protection stable

Les composés fluorés de l'électrolyte contribuent à la formation d'une couche protectrice autour du lithium métallique au p?le négatif de la batterie. "Nous pouvons comparer cette couche protectrice à de l'émail dentaire. Elle protège le lithium métal de la réaction permanente avec les composants de l'électrolyte", explique Lukatskaya. Sans cette couche protectrice, l'électrolyte se viderait rapidement pendant le processus de charge, la cellule tomberait en panne et l'absence d'une couche protectrice stable entra?nerait la formation de pointes de lithium-métal - 'dendrites' - au lieu d'une couche plate uniforme pendant le processus de charge.

Si ces dendrites atteignent le p?le positif, un court-circuit se produit et la batterie pourrait chauffer au point de s'enflammer. Le contr?le des propriétés de la couche protectrice est donc crucial pour la performance d'une batterie. Une couche de protection stable augmente l'efficacité, la sécurité et la durée de vie d'une batterie.

Minimiser la teneur en fluor

"Nous avons réfléchi à la manière de réduire la quantité de fluor ajouté sans que la couche protectrice ne perde de sa stabilité", explique le doctorant Nathan Hong. Sa méthode nouvellement développée utilise l'attraction électrostatique pour obtenir la réaction souhaitée. Les chercheurs de l'ETH ont développé un concept dans lequel des molécules fluorées chargées électriquement servent de véhicule pour amener le fluor à la couche protectrice. De cette manière, ils n'ont besoin que de 0,1 % de fluor en poids par rapport au liquide électrolytique, ce qui est au moins 20 fois moins que dans les études précédentes.

Une méthode optimisée pour des batteries plus écologiques

Dans une récente page externePublication dans la revue spécialisée Energy & Environmental Science, les chercheurs de l'ETH décrivent leur nouvelle méthode et ses principes de base, pour lesquels ils ont également déposé une demande de brevet. Lukatskaya a mené cette recherche dans le cadre d'un projet FNS Starting Grant.

L'un des plus grands défis a été de trouver la bonne molécule à laquelle le fluor puisse être annexé et qui se décompose également dans les bonnes conditions une fois qu'elle a atteint le lithium métal. L'un des grands avantages de cette méthode est qu'elle s'intègre parfaitement dans le processus de production existant, sans générer de co?ts supplémentaires pour adapter l'équipement de production. En laboratoire, les batteries avaient la taille d'une pièce de monnaie. Dans la prochaine étape, les chercheurs veulent tester l'évolutivité de la méthode et passer à des cellules de type "pouch", comme celles utilisées dans les smartphones.