Une équipe de recherche de la Florida State University et de la Cornell University a découvert que les batteries construites à partir de composants peu coûteux et sûrs peuvent fournir trois à quatre fois plus de puissance que les batteries construites avec la technologie lithium-ion de pointe d'aujourd'hui.

Les travaux des chercheurs sont publiés aujourd'hui dans Communication Nature .

A. Nijamudheen, chercheur postdoctoral au FAMU-FSU College of Engineering, et Snehashis Choudhury, doctorant à l'Université Cornell, ainsi que des membres du corps professoral des deux institutions se sont lancés dans une enquête ambitieuse sur ce qui entrave la conception actuelle des batteries et sur la manière de l'améliorer.

"Si l'on regarde le coût des batteries au fil du temps, il n'est pas surprenant de voir que le vecteur est systématiquement pointé vers le haut, " a déclaré Choudhury. " L'adoption à grande échelle de technologies nécessitant des batteries exige des coûts inférieurs. "

Dans l'espoir de réduire ces coûts, les chercheurs ont abordé quelques problèmes spécifiques liés aux électrolytes, une partie critique de la construction d'une batterie qui favorise le mouvement des ions d'une électrode à l'autre.

Les équipes se sont attachées à comprendre les voies chimiques par lesquelles les électrolytes se dégradaient au niveau des électrodes de la batterie. Les chercheurs ont non seulement identifié les mécanismes de dégradation des électrolytes, ils ont également découvert plusieurs stratégies pour remédier au problème.

"Nous avons découvert que le contrôle des propriétés ioniques des interphases formées à l'électrode négative est la clé, " a déclaré Nijamudheen.

À l'aide de calculs quantiques, Nijamudheen et son conseiller, FAMU-FSU Professeur assistant de génie chimique Jose Mendoza-Cortes, ont constaté que le problème provient de la façon dont un composant des électrolytes appelé diglyme subit la polymérisation. La polymérisation est un processus où les molécules se combinent chimiquement pour produire une molécule semblable à une longue chaîne appelée polymère.

Dans le cas des piles, les électrolytes se séparent souvent et se reforment pour créer des molécules beaucoup plus grosses après un contact prolongé avec les électrodes négatives et positives d'une batterie.

« Alors que le processus de dégradation lui-même est inoffensif, ses sous-produits empêchent les ions d'accéder aux électrodes de la batterie, qui, au fil du temps, réduit la quantité d'énergie stockée qui peut être récupérée à partir d'une batterie, " dit Lynden Archer, professeur à l'Université Cornell et conseiller de Choudhury.

Cependant, alors que certains types de polymères résultant de ce processus empêcheraient les ions d'atteindre les électrodes, d'autres se sont avérés efficaces pour prolonger la durée de vie de la batterie.

Avec leurs calculs de polymérisation en main, les chercheurs ont commencé à étudier d'autres types d'électrolytes où le processus de polymérisation n'entraverait pas les performances de la batterie.

Typiquement, les batteries au lithium sont fabriquées avec des électrolytes de carbonate organique, mais ces électrolytes sont hautement inflammables. Une infrastructure de régulation thermique coûteuse qui assure le refroidissement des cellules de batterie surchauffées est donc obligatoire pour réduire les risques d'emballement thermique et d'incendie de batterie.

Les chercheurs ont plutôt testé un électrolyte au nitrate de lithium, un électrolyte stable qui n'était pas inflammable.

En utilisant cet électrolyte, les chercheurs ont commencé à mener des expériences sur l'interphase d'électrolyte solide ou SEI. Le SEI est une couche protectrice formée sur l'électrode négative à la suite de la décomposition de l'électrolyte, généralement pendant le premier cycle d'une batterie.

"Une fois que vous avez un bon SEI, tu as une bonne batterie, " dit Mendoza-Cortes, qui est également professeur assistant au FAMU-FSU College of Engineering. "L'idée est de trouver un électrolyte et un solvant qui peuvent former un SEI qui puisse être stable et jouer en votre faveur."

Les chercheurs ont conçu un nouveau type de SEI qui se forme spontanément dans une cellule de batterie à l'aide de sel sacrificiel ou d'espèces moléculaires introduites via les électrolytes. Ils ont également introduit des agents de transfert de chaîne - une chaîne de molécules - qui interagissaient avec le diglyme pour former un bouclier qui protège l'électrode chargée négativement de la dégradation.

Pour évaluer l'efficacité de la conception, l'équipe de recherche a réalisé une série d'expériences sur la capacité de la batterie à être utilisée puis rechargée. Ils ont trouvé qu'il pouvait traverser environ 2, 000 cycles, bien au-dessus des 300 à 500 cycles de charge conventionnels associés à la plupart des batteries lithium-ion.

"Avec ce procédé, nous pourrions obtenir une efficacité sans précédent pour ce genre de système, " Mendoza-Cortes a déclaré. " L'essentiel est que nous avons amélioré le SEI. Cela signifierait plus de puissance qui dure plus longtemps. Il y a beaucoup de potentiel là-bas."