Une batterie lithium-ion est présentée utilisant un nouveau système prometteur de cathode et d'électrolyte qui remplace les métaux coûteux et l'électrolyte liquide traditionnel par des fluorures de métaux de transition à moindre coût et un électrolyte polymère solide. Crédit :Allison Carter
La popularité croissante des batteries lithium-ion ces dernières années a mis à rude épreuve l'offre mondiale de cobalt et de nickel, deux métaux faisant partie intégrante des conceptions de batteries actuelles, et fait grimper les prix.
Dans le but de développer des conceptions alternatives pour les batteries à base de lithium avec moins de dépendance à ces métaux rares, des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont mis au point un nouveau système prometteur de cathode et d'électrolyte qui remplace les métaux coûteux et l'électrolyte liquide traditionnel par des fluorures de métaux de transition à moindre coût et un électrolyte polymère solide.
"Les électrodes fabriquées à partir de fluorures de métaux de transition ont longtemps montré des problèmes de stabilité et une défaillance rapide, conduisant à un scepticisme important quant à leur capacité à être utilisées dans les batteries de prochaine génération, " dit Gleb Yushin, professeur à la School of Materials Science and Engineering de Georgia Tech. "Mais nous avons montré que lorsqu'il est utilisé avec un électrolyte polymère solide, les fluorures métalliques présentent une stabilité remarquable, même à des températures plus élevées, ce qui pourrait éventuellement conduire à des des batteries lithium-ion plus légères et moins chères."
Dans une batterie lithium-ion typique, l'énergie est libérée lors du transfert d'ions lithium entre deux électrodes - une anode et une cathode, avec une cathode comprenant typiquement du lithium et des métaux de transition tels que le cobalt, nickel et manganèse. Les ions circulent entre les électrodes à travers un électrolyte liquide.
Pour l'étude, qui a été publié le 9 septembre dans la revue Matériaux naturels et parrainé par le bureau de recherche de l'armée, l'équipe de recherche a fabriqué un nouveau type de cathode à partir d'un matériau actif de fluorure de fer et d'un nanocomposite à électrolyte polymère solide. Les fluorures de fer ont plus du double de la capacité en lithium des cathodes traditionnelles à base de cobalt ou de nickel. En outre, le fer est 300 fois moins cher que le cobalt et 150 fois moins cher que le nickel.
Pour produire une telle cathode, les chercheurs ont développé un procédé pour infiltrer un électrolyte polymère solide dans l'électrode de fluorure de fer préfabriquée. Ils ont ensuite pressé à chaud toute la structure pour augmenter la densité et réduire les vides.
Gleb Yushin, professeur à la Georgia Tech School of Materials Science and Engineering et Kostiantyn Turcheniuk, chercheur dans le laboratoire de Yushin, inspectez une batterie à l'aide d'une nouvelle conception de cathode qui remplace les métaux coûteux et l'électrolyte liquide traditionnel par des fluorures de métaux de transition à moindre coût et un électrolyte polymère solide. Crédit :Allison Carter
Deux caractéristiques centrales de l'électrolyte à base de polymère sont sa capacité à fléchir et à s'adapter au gonflement du fluorure de fer pendant le cycle et sa capacité à former une interphase très stable et flexible avec le fluorure de fer. Traditionnellement, que le gonflement et les réactions secondaires massives ont été des problèmes clés avec l'utilisation de fluorure de fer dans les conceptions de batteries précédentes.
« Les cathodes fabriquées à partir de fluorure de fer ont un potentiel énorme en raison de leur grande capacité, faibles coûts de matière et très large disponibilité du fer, ", a déclaré Yushin. "Mais les changements de volume pendant le cycle ainsi que les réactions secondaires parasites avec les électrolytes liquides et d'autres problèmes de dégradation ont limité leur utilisation auparavant. L'utilisation d'un électrolyte solide aux propriétés élastiques résout bon nombre de ces problèmes."
Les chercheurs ont ensuite testé plusieurs variantes des nouvelles batteries à semi-conducteurs pour analyser leurs performances sur plus de 300 cycles de charge et de décharge à une température élevée de 122 degrés Fahrenheit, notant qu'ils ont surpassé les conceptions précédentes utilisant du fluorure métallique même lorsque ceux-ci étaient conservés au frais à température ambiante.
Les chercheurs ont découvert que la clé de l'amélioration des performances de la batterie était l'électrolyte polymère solide. Dans les tentatives précédentes d'utiliser des fluorures métalliques, on croyait que les ions métalliques migraient vers la surface de la cathode et finissaient par se dissoudre dans l'électrolyte liquide, provoquant une perte de capacité, en particulier à des températures élevées. En outre, les fluorures métalliques ont catalysé la décomposition massive des électrolytes liquides lorsque les cellules fonctionnaient au-dessus de 100 degrés Fahrenheit. Cependant, à la liaison entre l'électrolyte solide et la cathode, une telle dissolution n'a pas lieu et l'électrolyte solide reste remarquablement stable, prévenir de telles dégradations, les chercheurs ont écrit.
"L'électrolyte polymère que nous utilisions était très courant, mais de nombreux autres électrolytes solides et d'autres architectures de batteries ou d'électrodes, telles que les morphologies de particules noyau-enveloppe, devraient être capables d'atténuer de manière similaire, voire d'empêcher complètement les réactions secondaires parasites et d'atteindre des caractéristiques de performance stables, " a déclaré Kostiantyn Turcheniuk, chercheur dans le laboratoire de Yushin et co-auteur du manuscrit.
À l'avenir, les chercheurs visent à développer de nouveaux électrolytes solides améliorés pour permettre une charge rapide et également à combiner des électrolytes solides et liquides dans de nouvelles conceptions entièrement compatibles avec les technologies de fabrication de cellules conventionnelles utilisées dans les grandes usines de batteries.
