04.05.2022 - Argonne National Laboratory

L'électrolyte humide pourrait être la clé d'un stockage d'énergie peu coûteux

Un électrolyte de batterie contenant de l'eau pourrait permettre de produire des batteries moins chères et plus faciles à fabriquer

Pour les scientifiques qui travaillent à la création de la prochaine génération de batteries, l'eau est généralement l'ennemi. Par exemple, les batteries lithium-ion doivent généralement être produites dans des conditions extrêmement sèches pour pouvoir conserver de grandes quantités de charge. Mais une nouvelle découverte pourrait montrer qu'un type spécifique de batterie lithium-ion peut littéralement contenir de l'eau.

Dans une batterie, les ions se déplacent entre les deux électrodes pour équilibrer la charge électrique créée pendant la charge et la décharge. Les électrolytes sont le composant de la batterie qui permet ce mouvement. En se basant sur des modèles détaillés de l'eau dans différents environnements d'électrolyte créés par des simulations informatiques antérieures, les chercheurs de l'Argonne National Laboratory du ministère américain de l'énergie (DOE) ont mis au point un nouvel électrolyte de batterie pouvant contenir mille fois plus d'eau que les électrolytes conventionnels, selon Zhengcheng "John" Zhang, chimiste principal de batterie à Argonne.

"Nous avons toujours pensé que l'eau allait poser de gros problèmes pour une batterie lithium-ion. Cependant, il s'avère que notre formulation peut contenir beaucoup plus d'eau que ce que l'on connaissait auparavant, ce qui pourrait contribuer à réduire les coûts de fabrication des batteries", a déclaré M. Zhang.

Les batteries lithium-ion étant des batteries "sèches", elles ne peuvent contenir que des traces d'humidité, ce qui nécessite des installations de fabrication spéciales. Cependant, en utilisant un électrolyte composé de deux types de sels - un sel de lithium et un liquide ionique - l'équipe a pu créer une situation dans laquelle beaucoup plus de molécules d'eau pouvaient être absorbées de manière stable par l'électrolyte.

Pour étayer les résultats de l'expérience et étudier le mécanisme chimique sous-jacent, Wei Jiang, informaticien à l'Argonne, a utilisé le superordinateur Theta de l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) pour effectuer des simulations de l'électrolyte près de la surface de l'électrode afin de se faire une idée du comportement des molécules d'eau. L'ALCF est une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science.

"La modélisation de ce processus complexe, qui fait intervenir de multiples échelles de longueur et de temps, requiert la puissance d'un superordinateur comme Theta", a déclaré Jiang. Les simulations nous ont donné une vue à l'échelle atomique de la façon dont l'eau affecte les performances des batteries, fournissant des informations qui n'étaient pas possibles avec les seules expériences de laboratoire."

Même de petites quantités d'eau dégradent les performances de la batterie. En effet, les molécules d'eau situées à côté des molécules d'eau situées à côté des molécules d'eau - des "flaques" à l'échelle nanométrique - réagissent avec l'électrolyte lui-même, générant des sous-produits corrosifs qui rongent la batterie.

Toutefois, les simulations de l'équipe ont révélé qu'un nouvel électrolyte, composé d'un sel de lithium et d'un liquide ionique, pouvait séparer et lier l'eau, en séquestrant les molécules d'eau individuelles. Les travaux expérimentaux de l'équipe d'Argonne montrent que ce nouvel électrolyte peut contenir jusqu'à mille fois plus d'eau que les électrolytes actuellement utilisés dans les batteries des véhicules électriques et des consommateurs.

Comme le révèlent les simulations informatiques, la clé est que les molécules d'eau ne se rassemblent pas en "flaques" et ne perdent donc pas leur réactivité.

"Même à la surface des électrodes, où l'eau est susceptible de se regrouper, nos simulations atomistiques montrent que les molécules d'eau individuelles sont très stables", a déclaré Jiang.

En analysant le regroupement des molécules d'eau dans la matrice de l'électrolyte, les simulations informatiques ont permis d'identifier une relation quantitative entre la tolérance à l'eau de l'électrolyte et la "salinité" des composants de l'électrolyte.

"Dans une certaine mesure, avoir un électrolyte salé nous permet de retenir l'eau", a déclaré Zhang. "La molécule d'eau est piégée par les différents ions dans une gamme spécifique de rapports de concentration dans le milieu salé, et cela la rend moins réactive."

Cette étude offre aux fabricants de batteries une voie potentielle pour incorporer l'eau dans le processus de fabrication des batteries, permettant une fabrication moins coûteuse et plus respectueuse de l'environnement, selon Zhang.

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

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