Des ingénieurs ont mis au point de nouvelles batteries lithium-ion à forte teneur énergétique qui fonctionnent bien par grand froid et par grande chaleur.
Des ingénieurs de l’Université de Californie à San Diego (UCSD) ont mis au point de nouvelles batteries au lithium-ion qui fonctionnent bien à des températures froides glaciales et chaudes torrides, tout en offrant une grande quantité d’énergie. Selon les chercheurs, cette prouesse a été accomplie en développant un électrolyte qui est non seulement polyvalent et robuste sur une large plage de températures, mais également compatible avec une anode et une cathode à haute énergie.
Les batteries résistantes à la température sont décrites dans un article publié la semaine du 4 juillet dans la revue “The Journal”. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)..
Les batteries basées sur cette technologie pourraient permettre aux véhicules électriques dans les climats froids de voyager plus loin avec une seule charge. Elles pourraient également réduire le besoin de systèmes de refroidissement pour empêcher les batteries des véhicules de surchauffer dans les climats chauds, a déclaré Zheng Chen, professeur de nano-ingénierie à l’UCSD Jacobs School of Engineering et auteur principal de l’étude.
“Vous avez besoin d’un fonctionnement à haute température dans des zones où la température ambiante peut atteindre les trois chiffres et où les routes sont encore plus chaudes. Dans les véhicules électriques, les batteries sont généralement placées sous le plancher, à proximité de ces routes chaudes”, explique Chen, qui est également membre du corps enseignant de l’UCSD. Centre d’énergie et de puissance durables. “De plus, les batteries se réchauffent simplement parce qu’elles sont parcourues par un courant pendant leur fonctionnement. Si les batteries ne peuvent pas tolérer cet échauffement à haute température, leurs performances se dégraderont rapidement.”
Le premier auteur de l’étude, Guorui Cai, chercheur postdoctoral en nano-ingénierie à l’UC San Diego, prépare un élément de poche de batterie pour le tester à une température inférieure au point de congélation. Crédit : David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
Lors des tests, les batteries de démonstration ont conservé 87,5 % et 115,9 % de leur capacité énergétique à -40 et 50 °C (-40 et 122 °F), respectivement. Elles présentaient également des efficacités coulombiennes élevées de 98,2 % et 98,7 % à ces températures, respectivement, ce qui signifie que les batteries peuvent subir davantage de cycles de charge et de décharge avant de cesser de fonctionner.
Les batteries que Chen et ses collègues ont développées sont à la fois tolérantes au froid et à la chaleur grâce à leur électrolyte unique. Celui-ci est constitué d’une solution liquide d’éther dibutylique mélangée à un sel de lithium. La particularité du dibutyl éther est que ses molécules se lient faiblement aux ions lithium. En d’autres termes, les molécules de l’électrolyte peuvent facilement laisser partir les ions de lithium lorsque la batterie fonctionne. Cette faible interaction moléculaire, les chercheurs l’avaient découverte lors d’une précédente étude sur l’électrolyte. étudeaméliore les performances de la batterie à des températures inférieures à zéro. De plus, l’éther dibutylique peut facilement supporter la chaleur car il reste liquide à haute température (son point d’ébullition est de 141 °C, soit 286 °F).
Les performances à haute température des cellules d’une poche de batterie sont testées dans un four chauffé à 50 °C. Crédit : David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering.
Stabilisation des chimies lithium-soufre
La particularité de cet électrolyte est qu’il est compatible avec une batterie au lithium-soufre, un type de batterie rechargeable dont l’anode est constituée de lithium métallique et la cathode de soufre. Les batteries au lithium-soufre sont un élément essentiel des technologies de batterie de la prochaine génération, car elles promettent des densités d’énergie plus élevées et des coûts moindres. Elles peuvent stocker jusqu’à deux fois plus d’énergie par kilogramme que les batteries lithium-ion actuelles, ce qui pourrait doubler l’autonomie des véhicules électriques sans augmenter le poids du bloc de batteries. En outre, le soufre est plus abondant et moins problématique à trouver que le cobalt utilisé dans les cathodes des batteries lithium-ion traditionnelles.
Mais les batteries au lithium-soufre posent des problèmes. La cathode et l’anode sont toutes deux super réactives. Les cathodes en soufre sont si réactives qu’elles se dissolvent pendant le fonctionnement de la batterie. Ce problème s’aggrave à haute température. Quant aux anodes en lithium métal, elles ont tendance à former des structures en forme d’aiguille appelées dendrites qui peuvent percer certaines parties de la batterie et provoquer un court-circuit. En conséquence, les batteries au lithium-soufre ne durent que quelques dizaines de cycles.
Zheng Chen, professeur de nanoingénierie à l’Université de Californie à San Diego. Crédit : David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering.
“Si vous voulez une batterie à haute densité d’énergie, vous devez généralement utiliser une chimie très dure et compliquée”, a déclaré Chen. “Une énergie élevée signifie plusLes réactions se produisent, ce qui signifie moins de stabilité et plus de dégradation. Fabriquer une batterie à haute énergie qui soit stable est une tâche difficile en soi – essayer de le faire sur une large plage de températures est encore plus difficile.”
L’électrolyte à base d’éther dibutylique mis au point par l’équipe de recherche de l’UCSD évite ces problèmes, même à haute et basse température. Les batteries qu’ils ont testées avaient une durée de vie en cycle beaucoup plus longue qu’une batterie lithium-soufre typique. “Notre électrolyte permet d’améliorer à la fois le côté cathode et le côté anode tout en offrant une conductivité et une stabilité interfaciale élevées”, a déclaré Chen.
L’équipe a également conçu la cathode de soufre pour qu’elle soit plus stable en la greffant à un polymère. Cela empêche le soufre de se dissoudre dans l’électrolyte.
Les prochaines étapes comprennent la mise à l’échelle de la chimie de la batterie, son optimisation pour qu’elle fonctionne à des températures encore plus élevées, et l’extension de la durée du cycle.
Référence : “Critères de sélection des solvants pour les batteries lithium-soufre résistantes à la température”. Les co-auteurs sont Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal et Ping Liu, tous de l’UC San Diego. Actes de l’Académie nationale des sciences.
Ce travail a été soutenu par une bourse Early Career Faculty de ;” data-gt-translate-attributes=”[{” attribute=””>NASA’s Space Technology Research Grants Program (ECF 80NSSC18K1512), the National Science Foundation through the UC San Diego Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC, grant DMR-2011924), and the Office of Vehicle Technologies of the U.S. Department of Energy through the Advanced Battery Materials Research Program (Battery500 Consortium, contract DE-EE0007764). This work was performed in part at the San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) at UC San Diego, a member of the National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, which is supported by the National Science Foundation (grant ECCS-1542148).
