La nouvelle génération de batteries lithium-ion possède des anodes en silicium ; un matériau plus efficace pour stocker l’énergie que le graphite utilisé dans les anodes actuelles. Cependant, l’un des problèmes de cette technologie est que les électrolytes contenues dans la batterie endommagent progressivement l’anode en silicium et en réduisent la durabilité. Des chercheurs de l’Argonne National Laboratory ont toutefois réussi à mettre au point une nouvelle solution d’électrolytes préservant l’anode et améliorant ainsi considérablement la durée de vie de la batterie.

La batterie lithium-ion est omniprésente. En raison de sa polyvalence, elle peut être conçue pour alimenter des téléphones portables, des ordinateurs portables, des outils ou des véhicules électriques. C’est maintenant la source d’une économie de plusieurs milliards de dollars par an, qui continue de croître chaque année.

Des chercheurs du Laboratoire national Argonne du département américain de l’Énergie (DOE) ont mis au point un nouveau mélange d’électrolytes et un simple additif qui pourraient trouver leur place dans la prochaine génération de batteries lithium-ion. L’étude a été publiée dans la revue ACS Applied Materials & Interfaces.

Batteries lithium-ion nouvelle génération : le problème de l’interaction anode-électrolytes

Depuis plusieurs décennies, les scientifiques recherchent activement de nouveaux matériaux pour les électrodes et des électrolytes capables de produire une nouvelle génération de batteries lithium-ion offrant un stockage beaucoup plus important d’énergie tout en durant plus longtemps, en étant moins chères et totalement sécurisées. Cette nouvelle génération démocratisera probablement les véhicules électriques et accélérera l’expansion du réseau électrique en matière d’énergie renouvelable grâce à un stockage de l’énergie moins coûteux et plus fiable.

Pour les ingénieurs qui développent des batteries lithium-ion avancées, l’anode en silicium a été le candidat par excellence pour remplacer l’anode en graphite actuelle.

Le silicium présente un avantage théorique important en matière de capacité de stockage d’énergie par rapport au graphite, car il est capable de stocker près de dix fois plus de lithium que le graphite. C’est le deuxième matériau le plus abondant dans la croûte terrestre, et sa prédominance dans le matériel informatique et de télécommunication signifie que les processus de traitement sont déjà bien maîtrisés.

schema batterie

Schéma d’une batterie lithium-ion avec une anode en silicium. Bien que le silicium soit un matériau plus performant que le graphite pour le stockage d’énergie, il est endommagé progressivement par son contact avec l’électrolyte, réduisant ainsi la durée de vie de la batterie. Crédits : HowItWorks

« Mais un obstacle continue de perdurer » déclare Jack Vaughey, chimiste dans la division Science et Génie Chimique (CSE) d’Argonne. « Lors du cycle, une anode à base de silicium dans une cellule lithium-ion devient très réactive avec l’électrolyte, et ce processus dégrade la cellule au fil du temps, entraînant une durée de vie réduite ».

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Des cations métalliques pour protéger les anodes en silicium des électrolytes

Les électrolytes des batteries lithium-ion contiennent actuellement un mélange de solvants, avec un sel de lithium dissous et au moins un (souvent plus de trois) additifs organiques. Les chercheurs d’Argonne ont mis au point une stratégie unique d’additifs pour électrolytes : une petite quantité d’un second sel contenant l’un des nombreux cations métalliques à charge double ou triple (Mg2+, Ca2+, Zn2+ ou Al3+).

Ces mélanges d’électrolytes améliorés, collectivement nommés « MESA » (pour l’anglais mixed-salt electrolytes for silicon anodes), donnent aux anodes en silicium une stabilité accrue de la surface et du volume, améliorant ainsi la durée de vie à long terme.

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La nouvelle solution d’électrolytes contenant des cations métalliques permet de maintenir l’intégrité de l’anode en silicium, augmentant ainsi la durabilité de la batterie et résultant en un stockage d’énergie deux fois plus performant après 270 cycles. Crédits : Binghong Han et al. 2019

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« Nous avons minutieusement testé les formulations de MESA avec des cellules complètes fabriquées avec des électrodes standards du marché. La nouvelle chimie est simple, évolutive et entièrement compatible avec la technologie de batterie existante » explique Baris Key, chimiste au sein de la division CSE.

« Dans le cadre de ce projet, nous avons grandement bénéficié de l’installation CAMP (Analyse, modélisation et prototypage de cellules) d’Argonne. C’est là que nous avons testé nos formulations de MESA » indique Vaughey.

Des batteries optimisées en matière de densité d’énergie

Les chercheurs d’Argonne ont également étudié le fonctionnement des électrolytes à base de MESA. Pendant le chargement, les additions de cations métalliques dans la solution d’électrolyte migrent dans l’anode à base de silicium avec les ions lithium pour former des phases lithium-métal-silicium, qui sont plus stables que le lithium-silicium. Cette nouvelle chimie cellulaire réduit considérablement les réactions secondaires néfastes entre l’anode en silicium et l’électrolyte, qui avaient endommagé les cellules avec l’électrolyte traditionnel.

Parmi les quatre sels métalliques testés dans les cellules, les sels d’électrolyte ajoutés avec des cations de magnésium (Mg2+) ou de calcium (Ca2+) se sont avérés les plus efficaces sur des centaines de cycles charge-décharge. Les densités d’énergie obtenues avec ces cellules ont dépassé de 50% celles des cellules comparables possédant une chimie du graphite.

Sources : ACS Applied Materials & Interfaces

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