Conception rationnelle du solvant électrolytique multifonctionnel. Les fonctions importantes de tolérance aux hautes tensions (stabilité à l'oxydation et formation de SEI) et d'ininflammabilité sont attribuées à chaque partie de la structure moléculaire. Crédit :Zheng et al.
À la lumière de l'évolution en cours vers les technologies d'énergie renouvelable et du nombre croissant d'appareils de l'Internet des objets (IoT), des chercheurs du monde entier ont essayé de développer des batteries qui peuvent fonctionner plus efficacement et pendant de plus longues périodes. Les batteries lithium-ion (LIB) sont actuellement la technologie de stockage d'énergie préférée pour l'électronique portable, car ils contiennent des électrolytes organiques, qui permettent généralement des tensions de fonctionnement et des densités d'énergie élevées.
Malgré leur utilisation généralisée, augmenter encore les performances des LIB existants pourrait avoir un impact significatif sur leur sécurité. En réalité, ces batteries contiennent des carbonates organiques hautement volatils et inflammables, lequel, s'il s'enflamme, peut causer des dommages considérables.
Dans les années récentes, les chercheurs ont fait des efforts considérables pour surmonter ces problèmes de sécurité, par exemple, en utilisant des substances supplémentaires ou en optimisant les matériaux séparant les composants de la batterie. Alors que certaines de ces stratégies ont réussi à réduire le risque d'incendie de la batterie, tant que les LIB sont fabriqués avec des électrolytes hautement inflammables, des accidents peuvent encore se produire.
Dans l'espoir d'ouvrir la voie à des LIB plus sûres et plus performantes, des chercheurs de l'Université de Tokyo ont récemment conçu et synthétisé un électrolyte alternatif à base de phosphate cyclique qui est ininflammable. Leur électrolyte, présenté dans un article publié dans Énergie naturelle , permet en toute sécurité, fonctionnement très stable et haute tension, surpassant les solvants contenus dans la plupart des LIB existants.
"Le solvant électrolytique des batteries lithium-ion (LIB) est inchangé depuis près de 30 ans, " Pr Atsuo Yamada, l'un des chercheurs qui ont développé le nouvel électrolyte, a déclaré TechXplore. "Nous pensons donc qu'il doit y avoir une large place pour développer des LIB avancées, si nous trouvons un solvant alternatif. Avec ça en tête, sous la direction du professeur Makoto Gonokami, président de l'Université de Tokyo, nous avons entamé une collaboration avec le professeur Eiichi Nakamura, qui est un chercheur très établi dans le domaine de la synthèse organique, pour concevoir un nouveau solvant électrolytique dans le but d'augmenter les performances et la sécurité de la batterie."
Yamada, Nakamura et leurs collègues ont conçu leur électrolyte à base de phosphate cyclique en fusionnant les structures chimiques du solvant électrolytique conventionnel EC et d'un ignifuge. Cela donne les propriétés de phosphate des deux molécules, y compris la tolérance à la haute tension du solvant et l'ininflammabilité du produit ignifuge, minimiser le risque d'incendie des LIB.
Lors de la synthèse de l'électrolyte, les chercheurs ont découvert que la formule la plus efficace contenait 0,95 M LiN (SO
« De façon inattendue, le nouveau solvant électrolytique peut augmenter la tension de la batterie du courant 3,8 V à 4,6 V et également améliorer la durée de vie de la batterie, " a déclaré le professeur Yamada. " Nous avons été surpris de voir que le solvant conçu a en effet montré à la fois une tolérance aux hautes tensions et une capacité ignifuge, comme nous l'attendions de sa structure chimique. Surtout, c'est le premier cas où une conception aussi rationnelle de structures chimiques réussit dans les électrolytes de batterie. »
Yamada, Nakamura, et leurs collègues sont parmi les premiers à identifier un solvant électrolytique alternatif qui pourrait augmenter la sécurité des LIB tout en améliorant leurs performances. À l'avenir, leur électrolyte cyclique à base de phosphate pourrait être utilisé pour créer des batteries sûres et hautement efficaces pour une large gamme d'appareils électroniques.
"Nous espérons que nos travaux stimuleront de nombreux chercheurs à concevoir et développer une variété de nouveaux matériaux pour de meilleures batteries, " a déclaré le professeur Yamada. " Nous prévoyons maintenant de continuer à travailler sur ce nouveau solvant électrolytique pour les applications de batteries commerciales et de développer de nouveaux matériaux de batteries multifonctionnels sur la base de notre stratégie de conception. "
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