Nouvelle batterie : plus d'énergie et moins d'impact sur l'environnement
En bref
- Les batteries au lithium métal sont considérées comme la prochaine génération de batteries à haute énergie. Elles peuvent stocker deux fois plus d'énergie par unité de volume que les batteries lithium-ion conventionnelles.
- Jusqu'à présent, de grandes quantités de fluor, nocif pour l'environnement, ont été ajoutées à ces batteries afin d'accroître leur stabilité et d'éviter qu'elles ne surchauffent ou ne s'enflamment.
- Des chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich ont mis au point une méthode qui réduit considérablement l'utilisation du fluor, réduisant ainsi l'empreinte écologique de ces batteries.
Les batteries au lithium métal sont parmi les candidates les plus prometteuses de la prochaine génération de batteries à haute énergie. Elles peuvent stocker au moins deux fois plus d'énergie par unité de volume que les batteries lithium-ion largement utilisées aujourd'hui. Cela signifie, par exemple, qu'une voiture électrique pourra parcourir deux fois plus de distance avec une seule charge, ou qu'un smartphone n'aura plus besoin d'être rechargé aussi souvent.
À l'heure actuelle, les batteries lithium-métal présentent encore un inconvénient majeur : l'électrolyte liquide nécessite l'ajout de quantités importantes de solvants et de sels fluorés, ce qui accroît leur empreinte environnementale. Or, sans l'ajout de fluor, les batteries lithium-métal seraient instables, elles s'arrêteraient de fonctionner après très peu de cycles de charge et seraient sujettes aux courts-circuits ainsi qu'à la surchauffe et à l'inflammation. Un groupe de recherche dirigé par Maria Lukatskaya, professeur de systèmes énergétiques électrochimiques à l'ETH Zurich, a mis au point une nouvelle méthode qui réduit considérablement la quantité de fluor nécessaire dans les piles au lithium métal, les rendant ainsi plus respectueuses de l'environnement, plus stables et plus rentables.
Comment fonctionne une pile au lithium métal ?
Une batterie se compose d'une anode chargée négativement et d'une cathode chargée positivement. Dans une batterie lithium-ion, l'anode est en graphite ; dans une batterie lithium-métal, elle est en lithium-métal. Un électrolyte liquide sépare l'anode et la cathode. Lorsque la batterie se charge, les ions lithium chargés positivement migrent de la cathode vers l'anode. Lorsque les ions lithium atteignent l'anode, ils perdent leur charge positive et forment du lithium métallique.
Une couche protectrice stable augmente la sécurité et l'efficacité de la batterie
Les composés fluorés de l'électrolyte contribuent à la formation d'une couche protectrice autour du lithium métallique à l'électrode négative de la batterie. «Cette couche protectrice peut être comparée à l'émail d'une dent», explique Maria Lukatskaya. «Elle protège le lithium métallique d'une réaction continue avec les composants de l'électrolyte.» Sans elle, l'électrolyte s'épuiserait rapidement au cours des cycles, la cellule tomberait en panne et l'absence d'une couche stable entraînerait la formation de moustaches de lithium métallique - des dendrites - au cours du processus de recharge, au lieu d'une couche plate conforme.
Si ces dendrites venaient à toucher l'électrode positive, cela provoquerait un court-circuit avec le risque que la batterie s'échauffe au point de s'enflammer. La capacité à contrôler les propriétés de cette couche protectrice est donc cruciale pour les performances de la batterie. Une couche protectrice stable augmente l'efficacité, la sécurité et la durée de vie de la batterie.
Minimiser la teneur en fluor
«La question était de savoir comment réduire la quantité de fluor ajoutée sans compromettre la stabilité de la couche protectrice», explique Nathan Hong, doctorant. La nouvelle méthode du groupe utilise l'attraction électrostatique pour obtenir la réaction souhaitée. Des molécules fluorées chargées électriquement servent de véhicule pour transporter le fluor vers la couche protectrice. Cela signifie qu'il ne faut que 0,1% en poids de fluor dans l'électrolyte liquide, ce qui est au moins 20 fois moins que dans les études précédentes.
Une méthode optimisée rend les piles plus écologiques
Le groupe de recherche de l'ETH Zurich décrit la nouvelle méthode et ses principes sous-jacents dans un article récemment publié dans la revue Energy & Environmental Science. Une demande de brevet a été déposée. Maria Lukatskaya a effectué cette recherche avec l'aide d'une Starting Grant du FNS.
L'un des plus grands défis a été de trouver la bonne molécule à laquelle le fluor pourrait être attaché et qui se décomposerait à nouveau dans les bonnes conditions une fois qu'elle aurait atteint le lithium métal. Comme l'explique le groupe, l'un des principaux avantages de cette méthode est qu'elle peut être intégrée de manière transparente dans le processus de production de batteries existant, sans engendrer de coûts supplémentaires pour modifier l'installation de production. Les piles utilisées dans le laboratoire avaient la taille d'une pièce de monnaie. Dans une prochaine étape, les chercheuses et chercheurs prévoient de tester l'extensibilité de la méthode et de l'appliquer aux piles à poche telles qu'elles sont utilisées dans les smartphones.
