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Les batteries lithium-ion rechargeables alimentent les téléphones, les ordinateurs portables, d’autres appareils électroniques personnels et les voitures électriques, et sont même utilisées pour stocker l’énergie générée par les panneaux solaires. Mais si la température de ces batteries monte trop haut, elles cessent de fonctionner et peuvent prendre feu.
C’est en partie parce que l’électrolyte à l’intérieur, qui transporte les ions lithium entre les deux électrodes lorsque la batterie se charge et se décharge, est inflammable.
« L’un des plus grands défis de l’industrie des batteries est ce problème de sécurité, donc il y a beaucoup d’efforts pour essayer de fabriquer un électrolyte de batterie sûr », a déclaré Rachel Z Huang, étudiante diplômée à l’Université de Stanford et première auteur d’un rapport publié le 30 novembre dans Question.
Huang a développé un électrolyte ininflammable pour les batteries lithium-ion avec 19 autres chercheurs du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du Département de l’énergie et de l’Université de Stanford. Leurs travaux ont démontré que les batteries contenant cet électrolyte continuent de fonctionner à des températures élevées sans déclencher d’incendie.
Leur secret ? Plus de sel.
SÉCURITÉ salée
Les électrolytes classiques des batteries lithium-ion sont constitués d’un sel de lithium dissous dans un solvant organique liquide, tel que l’éther ou le carbonate. Bien que ce solvant améliore les performances de la batterie en aidant à déplacer les ions lithium, c’est aussi un allume-feu potentiel.
Les batteries génèrent de la chaleur pendant leur fonctionnement. Et s’il y a des crevaisons ou des défauts dans une batterie, elle chauffera rapidement. À des températures supérieures à 140 degrés F, les petites molécules de solvant dans l’électrolyte commencent à s’évaporer, se transformant de liquide en gaz et gonflant une batterie comme un ballon – jusqu’à ce que le gaz prenne feu et que tout s’enflamme.
Au cours des 30 dernières années, les chercheurs ont développé des électrolytes ininflammables, tels que les électrolytes polymères, qui utilisent une matrice polymère au lieu de la solution classique sel-solvant pour déplacer les ions. Cependant, ces alternatives plus sûres ne déplacent pas les ions aussi efficacement que les solvants liquides, de sorte que leurs performances ne sont pas à la hauteur de celles des électrolytes conventionnels.
Rachel Huang travaillant au laboratoire. (Jian-Cheng Lai/Université de Stanford)
L’équipe voulait produire un électrolyte à base de polymère qui pourrait offrir à la fois sécurité et performance. Et Huang a eu une idée.
Elle a décidé d’ajouter autant qu’elle le pouvait d’un sel de lithium appelé LiFSI à un électrolyte à base de polymère conçu et synthétisé par Jian-Cheng Lai, chercheur postdoctoral à l’Université de Stanford et co-premier auteur de l’article.
« Je voulais juste voir combien je pouvais ajouter et tester la limite », a déclaré Huang. Habituellement, moins de 50 % du poids d’un électrolyte à base de polymère est constitué de sel. Huang a fait passer ce nombre à 63 %, créant ainsi l’un des électrolytes à base de polymère les plus salés de tous les temps.
Contrairement aux autres électrolytes à base de polymères, celui-ci contenait également des molécules de solvants inflammables. Cependant, l’électrolyte global, connu sous le nom d’électrolyte non inflammable à ancrage au solvant (SAFE), s’est avéré ininflammable à haute température lors d’essais dans une batterie lithium-ion.
SAFE fonctionne parce que les solvants et le sel fonctionnent ensemble. Les molécules de solvant aident à conduire les ions, ce qui se traduit par des performances comparables à celles des batteries contenant des électrolytes conventionnels. Mais, au lieu de tomber en panne à des températures élevées comme la plupart des batteries lithium-ion, les batteries contenant SAFE continuent de fonctionner à des températures comprises entre 77 et 212 degrés F.
Pendant ce temps, les nombreux sels ajoutés agissent comme des ancres pour les molécules de solvant, les empêchant de s’évaporer et de prendre feu.
Les matériaux de batterie standard (à gauche) s’enflamment lorsqu’ils sont exposés à une flamme, mais pas un nouveau matériau conçu par des chercheurs du SLAC et de Stanford (à droite). (Jian-Cheng Lai/Université de Stanford)
« Cette nouvelle découverte indique une nouvelle façon de penser pour la conception d’électrolytes à base de polymères », a déclaré Zhenan Bao, professeur à l’Université de Stanford et chercheur au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) qui conseille Huang. « Cet électrolyte est important pour le développement de futures batteries à haute densité énergétique et sûres. »
Rester gluant
Les électrolytes à base de polymères peuvent être solides ou liquides. Il est important de noter que les solvants et le sel de SAFE plastifient sa matrice polymère pour en faire un liquide gluant, tout comme les électrolytes conventionnels.
Un avantage : un électrolyte gluant peut s’intégrer dans les pièces de batterie lithium-ion existantes disponibles dans le commerce, contrairement à d’autres électrolytes ininflammables qui ont émergé. Les électrolytes céramiques à l’état solide, par exemple, doivent utiliser des électrodes spécialement conçues, ce qui les rend coûteux à produire.
« Avec SAFE, il n’est pas nécessaire de modifier la configuration de fabrication », a déclaré Huang. « Bien sûr, s’il est utilisé pour la production, des optimisations sont nécessaires pour que l’électrolyte s’intègre dans la chaîne de production, mais le travail est beaucoup moins important que n’importe lequel des autres systèmes. »
Yi Cui, professeur au SLAC et à Stanford et enquêteur du SIMES qui conseille également Huang, a déclaré : « Ce nouvel électrolyte de batterie très excitant est compatible avec la technologie existante des cellules de batterie au lithium-ion et aurait un impact important sur l’électronique grand public et le transport électrique. ”
Une application de SAFE peut être dans les voitures électriques.
Si les multiples batteries lithium-ion d’une voiture électrique sont trop proches les unes des autres, elles peuvent s’échauffer mutuellement, ce qui pourrait éventuellement entraîner une surchauffe et un incendie. Mais, si une voiture électrique contient des batteries remplies d’un électrolyte comme SAFE qui est stable à des températures élevées, ses batteries peuvent être emballées les unes contre les autres sans risque de surchauffe.
En plus d’atténuer les risques d’incendie, cela signifie moins d’espace occupé par les systèmes de refroidissement et plus d’espace pour les batteries. Plus de batteries augmentent la densité énergétique globale, ce qui signifie que la voiture peut durer plus longtemps entre les charges.
« Ce n’est donc pas seulement un avantage pour la sécurité », a déclaré Huang. « Cet électrolyte pourrait également vous permettre d’emballer beaucoup plus de batteries. »
Le temps nous dira quels autres produits alimentés par batterie pourraient être un peu plus SÛRS.
Cette recherche a été financée par le Bureau de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables du DOE dans le cadre du programme de recherche sur les matériaux de batterie et du consortium Battery 500.
Référence : Huang et al., Matter, 30 novembre 2022 (10.1016/j.matt.2022.11.003)
Pour toute question ou commentaire, contactez le Bureau des communications du SLAC à [email protected].
Par Chris Patrick, avec l’aimable autorisation du SLAC National Accelerator Laboratory, exploité par l’Université de Stanford pour le Département américain de l’énergie Office of Science.
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