Batteries au lithium prêtes pour l'hiver : des scientifiques utilisent une stratégie d'électrolyte "polarité-contras" pour déjouer le froid extrême

Une étude récente publiée dans le Journal of the American Chemical Society a proposé une stratégie de conception d'électrolyte "à contraste de polarité" qui peut améliorer efficacement les caractéristiques cinétiques et la stabilité électrochimique des batteries au lithium métal dans des conditions de basses températures extrêmes.

L'étude, dirigée par les Profs. CHEN Zhongwei, LUO Dan et WANG Dongdong de l'Institut de physique chimique de Dalian de l'Académie chinoise des sciences, a fourni un nouveau paradigme de conception d'électrolyte pour construire des structures de solvatation dominées par les anions et résistantes aux basses températures.

Dans des conditions de basse température, les batteries au lithium métal souffrent d'un transport ionique lent dans les électrolytes, d'une cinétique de désolvatation du ^Li+ retardée et d'une intensification des réactions secondaires interfaciales. Ces problèmes entraînent une forte dégradation de la capacité et une mauvaise stabilité des cycles, ce qui entrave leur application dans des environnements extrêmes.

Pour relever ces défis, l'équipe de recherche a proposé une stratégie de conception d'électrolyte "polarité-contraste". Cette stratégie permet de construire une structure de solvatation stable, dominée par les anions, à basse température, en modulant les interactions ion-dipôle entre les anions et les solvants.

Les chercheurs ont identifié une paire de solvants "polarité-contraste" : le diméthoxyméthane (DMM), qui a l'ESPmax le plus faible, et le carbonate de fluoroéthylène (FEC), qui a l'ESPmax le plus élevé.

Plus précisément, l'interaction affaiblie entre le DMM et le ^FSI- à basse température facilite l'entrée des anions dans la gaine de solvatation du ^Li+. Parallèlement, le FEC ancre davantage le ^FSI- par le biais d'interactions ion-dipôle renforcées, créant ainsi un environnement de solvatation stable dominé par les anions dans des conditions cryogéniques. En outre, les interactions dipôle-dipôle renforcées entre le DMM et le FEC favorisent la cinétique de désolvatation du ^Li+.

En réglant avec précision les interactions ion-dipôle et dipôle-dipôle, l'équipe a obtenu une transition de coordination des anions à basse température, ce qui constitue un nouveau principe de conception pour les électrolytes dans les batteries lithium-métal à basse température.

Grâce à cette stratégie, l'électrolyte induit la formation d'un interphase d'électrolyte solide riche en LiF, permettant un dépôt uniforme de lithium et un comportement de placage/décapage hautement réversible à basse température.

La cellule complète Li||SPAN a conservé 80 % de sa capacité après 150 cycles à -40 ℃, même à une capacité surfacique élevée de 4,5 mAh/cm². De plus, la cellule à poche de niveau Ah a montré un cycle stable pendant 50 cycles à -20 ℃, démontrant une bonne stabilité de cycle à basse température et une bonne rétention de capacité.

"Notre étude révèle non seulement un nouveau mécanisme sous-jacent à l'évolution dynamique des structures de solvatation dans des conditions de basse température, mais offre également de nouvelles bases théoriques et stratégies de recherche pour la conception d'électrolytes pour les batteries lithium-métal à basse température", a déclaré CHEN.