Disponible dans le commerce depuis les années 1970, la batterie lithium-ion est désormais la source d'alimentation la plus performante dans de nombreuses applications. Il peut être trouvé dans les téléphones portables, ordinateurs portables et véhicules électriques. Encore, une grande partie de la science fondamentale qui se déroule aux niveaux atomique et moléculaire pendant la charge et la décharge reste un mystère.

Dans une nouvelle étude publiée dans Catalyse naturelle , une équipe du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) rapporte une percée dans la compréhension de la chimie de la couche microscopiquement mince qui se forme à l'interface entre l'électrolyte liquide et l'électrode solide. Les chercheurs sur les batteries appellent communément cette couche « l'interphase à électrolyte solide » ou SEI.

De nombreux travaux scientifiques au cours des dernières décennies ont été consacrés à la compréhension du SEI dans la batterie lithium-ion. Les scientifiques savent que le SEI se forme sur l'électrode négative en graphite, est extrêmement fin (moins d'un millième de millimètre), et prend principalement forme lors de la première charge de la batterie. Il est également bien établi que le SEI empêche les réactions néfastes de se produire à l'interface, tout en laissant libre cours aux importants ions lithium de se déplacer entre l'électrolyte et l'électrode.

Toutes les bonnes batteries lithium-ion ont des SEI qui fonctionnent bien. Comme Dusan Strmcnik, co-chercheur principal et ingénieur chimiste adjoint de la division Science des matériaux (MSD), l'a noté, "Les performances de la batterie dépendent fortement de la qualité du SEI. Si la chimie et le rôle des composants individuels du SEI sont compris, le SEI pourrait être réglé pour améliorer les performances de la batterie."

"Plus important, une telle compréhension améliorerait considérablement notre capacité de prédiction de la durée de vie de la batterie, qui est d'une valeur extrêmement élevée pour un constructeur de voitures électriques, " ajouta Strmcnik.

L'équipe internationale de chercheurs, qui comprend des collaborateurs de l'Université de Copenhague, la Technische Universität München en Allemagne et le Groupe BMW, déchiffré la chimie derrière l'un des composants les plus courants du SEI dans les batteries lithium-ion typiques, fluorure de lithium. Sur la base de résultats expérimentaux et informatiques, leurs résultats ont montré que cette phase se forme pendant la charge de la batterie par la réaction électrochimique du fluorure d'hydrogène, produisant de l'hydrogène gazeux et du fluorure de lithium solide.

Cette réaction dépend fortement du matériau de l'électrode, qui pourrait être un métal, du graphène ou du matériau graphitique, et démontre ainsi l'importance de la catalyse dans le fonctionnement des batteries. L'équipe a découvert une nouvelle méthode pour surveiller la concentration du fluorure d'hydrogène, une impureté très nuisible qui se forme à partir d'une réaction entre des traces d'humidité et le sel (LiPF6) dans l'électrolyte. Cette capacité de surveillance devrait s'avérer vitale pour les futures études scientifiques fondamentales du SEI.

À Argonne Distinguished Fellow et co-chercheur principal Nenad Markovic, les résultats de l'étude ont déjà un impact commercial. « Nos découvertes sont déjà mises en œuvre dans les cellules lithium-ion du Battery Cell Competence Center du groupe BMW. Elles ouvriront également de nouvelles opportunités pour l'amélioration de l'existant, et la conception de nouveaux, technologies lithium-ion."

Les Catalyse naturelle L'article est intitulé "Transformation électrocatalytique de l'impureté HF en H2 et LiF dans les batteries lithium-ion".