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Le laboratoire national d'Argonne crée des piles au lithium-ion qui fonctionnent au froid

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Des chercheurs du laboratoire national d'Argonne pensent avoir trouvé une solution pour les batteries lithium-ion qui fonctionnent mal dans le froid.

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Les personnes qui vivent dans des climats froids et conduisent des voitures électriques savent que les batteries lithium-ion de leur voiture ne fonctionnent pas aussi bien par temps de gel. Elles ne se rechargent pas aussi rapidement et n'ont pas la même autonomie. C'est un problème, mais le laboratoire national d'Argonne dit qu'il pourrait avoir la solution.

Dans un billet de blog, les scientifiques d'Argonne expliquent que dans les batteries lithium-ion actuelles, l'électrolyte liquide qui sert de voie de circulation aux ions entre la cathode et l'anode lorsque la batterie se charge et se décharge commence à geler à des températures inférieures à zéro. Cette situation limite considérablement l'efficacité de la recharge des véhicules électriques dans les régions et les saisons froides.

Le laboratoire national d'Argonne pourrait avoir la réponse

Une équipe de scientifiques des laboratoires nationaux Argonne et Lawrence Berkeley a collaboré à la mise au point d'un électrolyte fluoré qui fonctionne bien même à des températures inférieures à zéro. "Notre recherche a ainsi démontré comment adapter la structure atomique des solvants d'électrolyte pour concevoir de nouveaux électrolytes pour les températures inférieures à zéro", explique John Zhang, qui dirige le groupe de recherche au laboratoire national d'Argonne.

"Notre équipe a non seulement trouvé un électrolyte antigel dont les performances de charge ne diminuent pas à moins 4 degrés Fahrenheit, mais nous avons également découvert, au niveau atomique, ce qui le rend si efficace", a déclaré M. Zhang, chimiste principal et chef de groupe dans la division des sciences chimiques et de l'ingénierie d'Argonne. Cet électrolyte à basse température est prometteur pour les batteries des véhicules électriques, ainsi que pour le stockage de l'énergie dans les réseaux électriques et l'électronique grand public, comme les ordinateurs et les téléphones.

Fonctionnement des piles au lithium-ion

Il n'est pas nécessaire de savoir comment fonctionne une batterie pour conduire une voiture électrique, tout comme il n'est pas nécessaire de savoir comment fonctionne un moteur à quatre temps pour conduire une voiture classique. La plupart d'entre nous n'ont probablement qu'une compréhension rudimentaire du fonctionnement des batteries lithium-ion. Le laboratoire Argonne explique que l'électrolyte utilisé dans la plupart des batteries lithium-ion actuelles est un mélange d'un sel largement disponible - l'hexafluorophosphate de lithium - et de solvants carbonatés tels que le carbonate d'éthylène. Les solvants dissolvent le sel pour former un liquide.

Lorsqu'une batterie est chargée, l'électrolyte liquide fait la navette entre les ions lithium de la cathode, qui est généralement un oxyde contenant du lithium, et l'anode, qui est généralement en graphite. Ces ions migrent hors de la cathode, puis traversent l'électrolyte en direction de l'anode. Pendant leur transport dans l'électrolyte, ils se trouvent au centre de grappes de quatre ou cinq molécules de solvant.

Pendant les quelques charges initiales, ces amas frappent la surface de l'anode et forment une couche protectrice appelée interphase solide-électrolyte. Une fois formée, cette couche agit comme un filtre. Elle ne laisse passer que les ions lithium et bloque les molécules de solvant. C'est ce qui permet à l'anode de stocker les atomes de lithium dans la structure du graphite lorsque la batterie est chargée. Pendant la phase de décharge, des réactions électrochimiques libèrent les électrons du lithium pour produire de l'électricité qui est ensuite utilisée pour alimenter les véhicules électriques.

Pourquoi les performances diminuent-elles par temps froid ?

Lorsque la température baisse, l'électrolyte contenant des solvants carbonatés commence à geler. Il perd alors sa capacité à transporter les ions lithium vers l'anode pendant la charge, car les ions lithium sont étroitement liés aux groupes de solvants. Par conséquent, ces ions ont besoin d'une énergie beaucoup plus élevée qu'à température ambiante pour évacuer leurs grappes et pénétrer dans la couche d'interface. Les scientifiques pensaient que la solution aux mauvaises performances par temps froid consistait à trouver un meilleur solvant qui ne gèlerait pas.

L'équipe a étudié plusieurs solvants infusés de fluor et a pu identifier celui qui présentait la barrière énergétique la plus faible pour libérer les ions lithium des grappes à une température inférieure à zéro. Ils ont également déterminé à l'échelle atomique pourquoi cette composition particulière fonctionnait si bien - cela dépendait de la position des atomes de fluor dans chaque molécule de solvant et de leur nombre.

Lors d'essais avec des cellules de laboratoire, l'électrolyte fluoré a conservé une capacité de stockage d'énergie stable pendant 400 cycles de charge/décharge à moins 4 degrés Fahrenheit. Même à cette température, la capacité de la batterie était équivalente à celle d'une cellule utilisant un électrolyte conventionnel à base de carbonate à température ambiante. "Notre recherche a donc démontré comment adapter la structure atomique des solvants d'électrolyte pour concevoir de nouveaux électrolytes pour des températures inférieures à zéro", a déclaré M. Zhang.

L'électrolyte antigel s'accompagne d'un autre avantage important : il est beaucoup plus sûr que l'électrolyte carboné. Il est beaucoup plus sûr que les électrolytes à base de carbonate actuellement utilisés, car il ne s'enflamme pas. "Nous avons déposé un brevet pour notre électrolyte à basse température et plus sûr, et nous recherchons actuellement un partenaire industriel pour l'adapter à l'une de ses conceptions de batteries lithium-ion", a déclaré M. Zhang.

Les collègues scientifiques de Zhang à Argonne sont Dong-Joo Yoo, Qian Liu et Minkyu Kim. Les auteurs de Berkeley Lab sont Orion Cohen et Kristin Persson. Ces travaux ont été financés par le Bureau de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables du ministère de l'énergie, Bureau des technologies des véhicules.

Les détails de la recherche

La recherche est expliquée en détail dans la revue Advanced Energy Materials. Je ne suis pas un scientifique et je n'en ai jamais joué un à la télévision. C'est une bonne chose, car la prose turgescente de la plupart des écrits scientifiques me fait perdre les pédales. Si vous souhaitez en savoir plus sur cette recherche, je vous encourage à suivre le lien ci-dessus et à vous assommer. Le document de recherche porte le titre accrocheur de "Rational Design of Fluorinated Electrolytes for Low Temperature Lithium-Ion Batteries" (Conception rationnelle d'électrolytes fluorés pour les batteries lithium-ion à basse température)

Beaucoup de lecteurs de CleanTechnica sont assez avertis lorsqu'il s'agit de choses alimentées par l'électricité et je sais que nombre d'entre vous veulent savoir si ce nouvel électrolyte présente des inconvénients à température ambiante ou réduit la durée de vie des batteries - deux éléments qui pourraient empêcher les fabricants de batteries de s'intéresser à cette nouvelle technologie. Voici un extrait de la recherche qui pourrait répondre à certaines de ces préoccupations.

"La cyclabilité à long terme à des taux C élevés et à des températures basses est considérée comme l'un des aspects les plus difficiles pour les batteries lithium-ion. Pour prouver la supériorité de nos électrolytes, nous avons effectué des essais de cyclage à long terme dans différentes conditions.

"Lorsqu'un courant de 2 C est appliqué à 25 °C, l'électrolyte d'acétate d'éthyle avec fluor diminue progressivement pour atteindre une capacité de rétention de 73 % après 400 cycles, tandis que l'électrolyte d'acétate d'éthyle avec l'additif LiDFOB présente la meilleure rétention de capacité, soit 91 % après 400 cycles. Cette tendance se poursuit à un courant élevé de 6 C.

"Alors que Gen 2 se dégrade rapidement jusqu'à 34% après 50 cycles, l'électrolyte avec l'additif LiDFOB a montré la meilleure rétention de capacité de 85% même après 500 cycles. Lorsqu'un courant de C/3 a été appliqué à -20 °C, les électrolytes Gen 2 et d'acétate d'éthyle ont montré une dégradation sévère de la capacité, correspondant à une rétention de capacité de 7,5 % et 34 % après 300 cycles, respectivement.

"En revanche, l'électrolyte à base d'acétate d'éthyle et de fluor avec l'additif LiDFOB a présenté une perte de capacité négligeable et a conservé une capacité de 97 %, même après 300 cycles. En outre, dans toutes les conditions d'essai, les rendements coulombiens de l'électrolyte EA-f avec additif LiDFOB étaient plus élevés que ceux des autres électrolytes. Les résultats de ce test de cyclage révèlent la stabilité supérieure de notre électrolyte pour la charge rapide et les opérations à basse température"

À retenir

Les moteurs à combustion interne d'aujourd'hui partagent peu de caractéristiques avec les moteurs d'il y a 100 ans, à l'exception du principe de base du moteur à quatre temps qui peut être réduit à sa plus simple expression - Sucer, Pousser, Frapper, Souffler. La technologie des batteries progresse rapidement aujourd'hui, grâce à des milliers de chercheurs dans le monde entier, comme le Dr Zhang et ses collègues du laboratoire national d'Argonne.

La mauvaise performance par temps froid est un problème qui doit être résolu avant que la révolution des véhicules électriques puisse être considérée comme achevée. Nous ignorons beaucoup de choses sur les batteries lithium-ion à électrolytes fluorés, à commencer par la manière dont la présence de fluor affectera la fabrication et le recyclage des batteries lithium-ion.

Après tout, le fluor est un produit chimique puissant qui endommage la couche d'ozone lorsqu'il pénètre dans l'atmosphère. En outre, les différentes compositions chimiques des batteries, telles que le phosphate de fer-lithium, semblent moins affectées par les températures froides que les batteries NMC, plus courantes. Qui sait comment les piles au sodium ou au soufre se comporteront dans le monde réel lorsqu'elles sortiront des laboratoires et entreront dans la production commerciale ?

La seule chose dont nous pouvons être relativement certains, c'est que les batteries utilisées dans une décennie seront aussi différentes des batteries actuelles que les transistors le sont des tubes à vide. La révolution des véhicules électriques ne fait que commencer. Nous sommes impatients de voir ce qui nous attend.