Des additifs chimiques améliorent la stabilité des batteries lithium-ion à haute densité

21.09.2022 - Chine

Comme notre besoin de batteries à haute densité augmente avec l'adoption généralisée des voitures électriques et des sources d'énergie alternatives, l'amélioration de la stabilité et de la capacité des batteries lithium-ion est une nécessité. La technologie actuelle des batteries lithium-ion, qui utilise souvent du nickel, est moins stable aux températures extrêmes, ce qui entraîne une surchauffe due à la fois à la température et aux tensions élevées. Elles ont également tendance à se détériorer rapidement.

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Pour résoudre ce problème, les chercheurs étudient de nouvelles combinaisons chimiques qui peuvent remédier à ces inconvénients. Dans une étude récente, les scientifiques ont démontré comment un solvant et un additif composé inorganique peuvent améliorer la stabilité et les performances des batteries lithium-ion avec des cathodes en nickel.

Ils ont publié leurs résultats le 12 septembre dans Recherche en nanotechnologie.

Les principes de base du fonctionnement des batteries sont les mêmes, qu'il s'agisse d'une batterie lithium-ion industrielle ou d'une batterie AA domestique moyenne. La cathode est l'électrode positive, l'anode est l'électrode négative, et entre elles, à l'intérieur de la batterie, se trouve une solution appelée l'électrolyte. Les ions chargés positivement et négativement circulent dans l'électrolyte et une réaction chimique génère de l'énergie électrique. Dans cette étude, les chercheurs ont identifié un électrolyte liquide à base de sulfolane auquel est ajouté du perchlorate de lithium comme une solution potentielle aux inconvénients courants des batteries lithium-ion.

"Pour les cathodes à base de nickel, les bonnes performances électrochimiques à basse température sont généralement obtenues au détriment des propriétés et de la sécurité à température ambiante. Cela s'explique par le fait que les électrolytes contenant des solvants à faible point de fusion se détériorent considérablement. La forte volatilité et l'inflammabilité de ces électrolytes limitent également leur application à des températures élevées", a déclaré le professeur Fang Lian de l'école de science et de génie des matériaux de l'université des sciences et technologies de Pékin, en Chine. En ajoutant du perchlorate de lithium au sulfolane, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient remédier à bon nombre de ces inconvénients.

Le sulfolane est un solvant créé à l'origine pour être utilisé dans l'industrie du pétrole et du gaz, mais il est désormais utilisé dans de nombreux contextes industriels différents car il reste stable à des températures élevées. Le perchlorate de lithium est un composé inorganique qui est combiné avec le sulfolane pour aider à maintenir la stabilité de l'électrolyte. Un troisième produit chimique est ajouté pour diluer l'électrolyte et contribuer à sa stabilité dans une large gamme de températures.

Pour tester le fonctionnement de l'électrolyte proposé, les chercheurs ont créé une batterie utilisant l'électrolyte et ont effectué une série de tests et de calculs théoriques. Ils ont constaté que le solvant était capable de maintenir la conductivité dans une large gamme de températures, allant de -60 à 55 degrés Celsius. En comparaison, les électrolytes traditionnels ont tendance à se solidifier à des températures inférieures à -20 degrés Celsius. L'ajout de perchlorate de lithium à l'électrolyte renforce la façon dont les différents produits chimiques de l'électrolyte interagissent entre eux et réduit la quantité d'énergie nécessaire, ce qui permet à l'électrolyte de fonctionner plus facilement à des températures plus basses.

"L'électrolyte à base de sulfolane dilué à haute concentration avec additif de perchlorate de lithium réalise l'application à large température dans les cellules haute tension. Cette combinaison améliore le transfert des ions lithium et réduit l'énergie de désolvatation, tout en inhibant la décomposition continue de l'électrolyte et la détérioration aiguë de la cathode à haute température", a déclaré Lian. "Notre travail fournit une compréhension complète de la conception moléculaire de l'électrolyte, facilitant le développement de batteries au lithium à haute densité d'énergie."

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