Figure montrant la stratégie de conception et les propriétés de l'électrolyte. Crédit :Fan et al.
Les électrolytes sont des composants chimiques qui permettent la circulation des ions entre la cathode et l'anode à l'intérieur des batteries, fournissant finalement de l'énergie électrique aux appareils technologiques. La plupart des batteries Li-ion non aqueuses conventionnelles et facilement disponibles sont fabriquées à l'aide d'électrolytes à base de carbonate.
Malgré leur utilisation généralisée, les électrolytes carbonates hautement inflammables limitent considérablement les températures auxquelles une batterie peut fonctionner correctement en raison de leur grande affinité entre leurs solvants chimiques et les ions à l'intérieur des batteries. Il en résulte que la plupart des batteries à base d'électrolytes au carbonate ne fonctionnent en toute sécurité qu'entre -20°C et +50°C, ou à des tensions comprises entre 0,0 et 4,3V.
Avec ça en tête, une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Chunsheng Wang de l'Université du Maryland aux États-Unis et d'autres scientifiques de l'Université du Zhejiang en Chine ont récemment fabriqué un nouveau type de batterie qui peut fonctionner à une plus large plage de températures, utilisant des électrolytes fluorés avec des solvants non polaires. Ces électrolytes fluorés sont ininflammables, permettant une stabilité électrochimique élevée dans une plage de températures et de tensions plus large que les électrolytes carbonates.
« Dans les électrolytes actuels, la fenêtre de stabilité électrochimique et la fenêtre de température de fonctionnement ne peuvent pas atteindre le maximum en même temps en raison de la limitation intrinsèque de la structure de solvatation des électrolytes, " Xiao Ji, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, a déclaré TechXplore. "En réduisant le Li-ion et en se liant au solvant par l'ajout d'un antisolvant, nous avons découplé la propriété électrochimique et physique des électrolytes et développé toutes les températures (-95 o C à +60 o C) et toutes les tensions (de 0,0 V à 5,6 V) d'électrolytes de batterie Li-ion. » a déclaré le Dr Xiulin Fan, le premier auteur de l'article.
Essentiellement, Ji et ses collègues ont pu apprivoiser l'affinité entre les solvants chimiques et les ions Li dans les batteries en dissolvant des électrolytes fluorés dans des solvants non polaires hautement fluorés (c'est-à-dire des solvants contenant des liaisons entre atomes ayant des électronégativités similaires). Les électrolytes qu'ils ont utilisés permettent une grande stabilité électrochimique dans une large fenêtre de tension de 0,0 à 5,6 V, ainsi que des conductivités ioniques élevées dans une large plage de températures entre -125 et +70 °C.
Images numériques pour (a) 1,28 M LiFSI-FEC/FEMC-D2 et (b) 0,7 M LiBETIFEC/DEC-M3 après les avoir maintenues à -95 °C pendant 3 heures. Après avoir été complètement immergé à -95 °C pendant 3 heures, les bouteilles d'électrolyte étaient à fond. Les flèches rouges indiquent le niveau de liquide de ces deux électrolytes. Aucun dépôt ou séparation de phase n'apparaît dans ces deux électrolytes. Crédit :Fan et al.
Avec les électrolytes fluorés, les chercheurs ont découvert que LiNi
« Les barrières de transport des ions Li sont considérablement réduites dans notre électrolyte, le domaine liquide de l'électrolyte est fortement élargi, " Chunsheng Wang a dit. " En outre, l'électrolyte développé peut supporter une tension beaucoup plus élevée par rapport aux électrolytes carbonates conventionnels commercialisés. Par conséquent, les batteries basées sur notre électrolyte peuvent fonctionner dans une plage de température beaucoup plus large."
Les électrolytes fluorés utilisés par Wang et ses collègues se sont jusqu'à présent avérés plus efficaces que les électrolytes carbonates, atteindre une stabilité électrochimique élevée dans une fenêtre de tension plus large et des conductivités ioniques élevées à une plus large plage de températures. Comme ils sont entièrement ininflammables, ils sont également beaucoup plus sûrs que les électrolytes carbonates. À l'avenir, les électrolytes proposés par cette équipe de chercheurs pourraient être utilisés pour construire des batteries très performantes pouvant également fonctionner dans des climats extrêmes, par exemple dans l'Arctique ou dans la savane africaine.
« Nous allons maintenant essayer d'optimiser la composition des batteries que nous avons développées pour réduire leur coût et également collaborer avec les industries des batteries pour commercialiser les batteries toutes températures, ", a ajouté le fan.
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