Les batteries lithium-ion représentent la majorité des batteries dans l'électronique grand public et les véhicules électriques. Aujourd'hui, les scientifiques recherchent de nouvelles chimies qui pourraient améliorer la densité énergétique et les performances des batteries au-delà des batteries lithium-ion conventionnelles.

Un type de ces batteries, appelées batteries lithium-soufre, pourrait offrir une densité énergétique plus élevée et un coût inférieur à celui de la batterie lithium-ion graphite/oxyde métallique traditionnelle. Cependant, ses performances sont souvent altérées par une réaction parasite qui se produit à l'intérieur de la batterie et l'empêche de rouler aussi efficacement.

Maintenant, dans une nouvelle étude, des scientifiques du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie ont découvert comment une certaine classe de matériau électrolytique peut réduire la fréquence de cette réaction, ouvrant potentiellement la voie à des batteries lithium-soufre plus efficaces.

Lorsqu'une batterie lithium-soufre est chargée, une réaction secondaire inévitable appelée navette au polysulfure de lithium se produit fréquemment. Au fur et à mesure que la batterie se charge, le sulfure de lithium est converti en soufre sur la cathode, mais certains composés lithium-soufre qui sont incomplètement oxydés peuvent se dissoudre de la cathode dans l'électrolyte, la région liquide de la batterie qui sépare les deux électrodes.

À ce point, les composés lithium-soufre peuvent diffuser et se réduire sur l'anode et s'oxyder à nouveau sur la cathode. Ce processus peut se répéter encore et encore d'une manière qui gaspille la charge de la batterie sans la faire fonctionner.

"Avec la navette polysulfure, vous n'obtenez rien de votre batterie sauf pour la chauffer, " a déclaré le chimiste d'Argonne Chi Cheung Su, un auteur de l'étude. « En termes électrochimiques, c'est comme essayer de voler de New York à Los Angeles, mais je me retrouve coincé à faire des allers-retours entre Chicago et Denver."

Une grande partie de la raison de l'initiation de la navette des polysulfures se produit parce que les polysulfures sont capables de se dissoudre facilement dans un électrolyte contenant un mélange de solvants de deux composés appelés dioxolane (DOL) et diméthoxyéthane (DME). « Il y a deux problèmes que nous devons résoudre simultanément :avoir une faible solubilité et une conductivité élevée, " dit Su. " En réalisant les deux, nous pouvons rapprocher ces batteries de la réalité."

Selon Su, les cinq dernières années environ ont vu le développement d'un nouveau type de matériau électrolytique qui pourrait résoudre ces deux problèmes. Ce materiel, appelé hydrofluoroéther, ou HFE, a une capacité de solvatation beaucoup plus faible tout en maintenant une conductivité généralement bonne. "La première étape pour que le lithium arrive à l'anode consiste à le dissoudre dans l'électrolyte, " dit-il. " Comme l'eau est un très bon solvant pour le sel de table, Le DME est un très bon solvant pour le lithium. Mais avec les HFE, c'est comme essayer de dissoudre le sel dans l'essence."

Bien que cette propriété générale des HFE soit connue depuis plusieurs années, Su et ses collègues ont mis au point un moyen général de prédire le comportement de solvatation et la conductivité de cette classe de molécules. D'abord, ils les ont divisés en trois types en fonction de leurs structures chimiques. En mesurant la performance des électrolytes, les chercheurs ont noté un compromis important :les chimies qui ont montré le comportement de solvatation le plus bas et la moindre quantité de navette de polysulfure avaient également des conductivités plus faibles.

"Cela montre qu'il n'y a pas encore de solution miracle pour les batteries lithium-soufre, et que nous devrons toujours continuer à trouver des moyens d'améliorer les chimies que nous avons, " dit Su.

Un article basé sur la recherche, "Une règle de sélection pour le cosolvant électrolytique hydrofluoroéther:établir une relation linéaire à énergie libre dans les batteries lithium-soufre, " paru dans le numéro du 13 mai de Angewandte Chemie .