La charge produit des cations métalliques doublement ou triplement chargés, tels que Mg2+ (sphères oranges), ainsi que des ions lithium chargés individuellement (sphères vertes) co-insérés de l'électrolyte dans le matériau de l'anode en silicium (sphères bleues). Ce processus stabilise l'anode, permettant le cyclage à long terme des batteries lithium-ion. Crédit :Laboratoire National d'Argonne
Le nouveau mélange d'électrolytes d'Argonne stabilise les anodes en silicium pendant le cyclage.
La batterie lithium-ion est omniprésente. En raison de sa polyvalence, cette batterie peut être adaptée pour alimenter des téléphones portables, ordinateurs portables, outils électriques ou véhicules électriques. C'est maintenant la source d'une entreprise de plusieurs milliards de dollars annuellement qui continue de croître chaque année.
Des chercheurs du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) ont mis au point un nouveau mélange d'électrolytes et un additif simple qui pourrait avoir sa place dans la prochaine génération de batteries lithium-ion.
Pendant de nombreuses décennies, les scientifiques ont vigoureusement recherché de nouveaux matériaux d'électrodes et d'électrolytes capables de produire une nouvelle génération de batteries lithium-ion offrant un stockage d'énergie beaucoup plus important tout en ayant une durée de vie plus longue, moins cher et plus sûr. Cette nouvelle génération va probablement généraliser les véhicules électriques et accélérer l'expansion du réseau électrique vers les énergies renouvelables grâce à un stockage d'énergie moins cher et plus fiable.
Pour les scientifiques qui développent des batteries lithium-ion avancées, l'anode de silicium a été le candidat prééminent pour remplacer l'anode de graphite actuelle. Le silicium a un avantage de capacité de stockage d'énergie théorique significatif par rapport au graphite, être capable de stocker près de dix fois plus de lithium que le graphite. L'augmentation de l'attractivité commerciale du silicium est son faible coût. C'est le deuxième matériau le plus abondant dans la croûte terrestre, et sa prévalence dans le matériel informatique et de télécommunications signifie qu'il existe des technologies de traitement substantielles.
"Mais une pierre d'achoppement est restée, " a noté Jack Vaughey, un chimiste senior dans la division Sciences et Ingénierie Chimiques (CSE) d'Argonne. « Sur le vélo, une anode à base de silicium dans une cellule lithium-ion devient très réactive avec l'électrolyte, et ce processus dégrade la cellule avec le temps, causant une durée de vie raccourcie."
Les électrolytes des batteries lithium-ion contiennent actuellement un mélange de solvants, avec un sel de lithium dissous et au moins un, souvent plus de trois additifs organiques. Les scientifiques d'Argonne ont développé une stratégie d'additif électrolytique unique :une petite quantité d'un second sel contenant l'un des nombreux cations métalliques doublement ou triplement chargés (Mg 2+ , Californie 2+ , Zn 2+ , ou Al 3+ ). Ces mélanges d'électrolytes améliorés, collectivement nommé « MESA » (qui signifie électrolytes à sels mixtes pour les anodes de silicium), donner aux anodes en silicium des stabilités de surface et de volume accrues, améliorer le cyclisme à long terme et la durée de vie du calendrier.
« Nous avons minutieusement testé les formulations MESA avec des cellules complètes fabriquées avec des électrodes standard pertinentes sur le plan commercial, " dit Baris Key, un chimiste dans la division CSE. "La nouvelle chimie est simple, évolutif et entièrement compatible avec la technologie de batterie existante."
"Dans ce projet, nous avons grandement bénéficié de l'analyse cellulaire d'Argonne, Installation de Modélisation et Prototypage (CAMP), " a ajouté Vaughey. " C'est là que nous avons testé nos formulations MESA."
Les chercheurs d'Argonne ont également étudié le fonctionnement des électrolytes contenant du MESA. Pendant la charge, les additions de cations métalliques dans la solution d'électrolyte migrent dans l'anode à base de silicium avec les ions lithium pour former des phases lithium-métal-silicium, qui sont plus stables que le lithium-silicium. Cette nouvelle chimie des cellules réduit considérablement les réactions secondaires néfastes entre l'anode en silicium et l'électrolyte qui avaient entaché les cellules avec l'électrolyte traditionnel. Sur les quatre sels métalliques testés en cellules, les sels d'électrolyte ajoutés avec soit du magnésium (Mg 2+ ) ou de calcium (Ca 2+ ) s'est avéré efficace sur des centaines de cycles de charge-décharge. Les densités d'énergie obtenues avec ces cellules ont dépassé celles des cellules comparables ayant une chimie du graphite jusqu'à 50 %.
« Sur la base de ces résultats de test, " dit Clé, "Nous avons toutes les raisons de croire que, si jamais des anodes en silicium remplacent le graphite ou constituent l'anode à plus de quelques pourcents de concentration, cette invention en fera partie et pourrait avoir un impact considérable."
