Le succès des batteries de voitures électriques dépend des kilomètres pouvant être parcourus avec une seule charge, mais la récolte actuelle de batteries lithium-ion atteint sa limite naturelle de charge pouvant être emballée dans un espace donné, garder les conducteurs sur une courte attache. Maintenant, chercheurs de l'Université du Maryland (UMD), le Laboratoire de recherche de l'armée américaine (ARL), et Argonne National Laboratory (ANL) ont découvert comment augmenter la capacité d'une batterie rechargeable en utilisant des électrodes agressives, puis en stabilisant ces matériaux d'électrode potentiellement dangereux avec un électrolyte hautement fluoré.

Un article évalué par des pairs basé sur la recherche a été publié le 16 juillet dans la revue Nature Nanotechnologie .

"Nous avons créé un électrolyte à base de fluor pour permettre une anode lithium-métal, qui est connu pour être notoirement instable, et a démontré une batterie qui dure jusqu'à mille cycles avec une capacité élevée, " ont déclaré les co-premiers auteurs Xiulin Fan et Long Chen, chercheurs postdoctoraux à la A. James Clark School of Engineering de l'UMD.

Les nouvelles batteries peuvent ainsi se charger et se décharger plusieurs fois sans perdre la capacité de fournir un flux d'énergie fiable et de haute qualité. Même après mille cycles de charge, les électrolytes enrichis en fluor ont assuré 93% de la capacité de la batterie, que les auteurs appellent "sans précédent". Cela signifie qu'une voiture utilisant cette technologie parcourrait de manière fiable le même nombre de kilomètres pendant de nombreuses années.

"Les cycles de vie qu'ils ont obtenus avec les matériaux d'électrode et les fenêtres de tension de fonctionnement donnés semblent "sans précédent". Ce travail est un [sic] grand progrès dans le domaine des batteries dans le sens de l'augmentation de la densité énergétique, bien que des ajustements supplémentaires puissent être nécessaires pour répondre à diverses normes de commercialisation, " a déclaré Jang Wook Choi, professeur agrégé en génie chimique et biologique à l'Université nationale de Séoul en Corée du Sud. Choi n'a pas été impliqué dans la recherche.

L'équipe a présenté les batteries sous forme de pile bouton comme une batterie de montre pour les tests et travaille avec des partenaires de l'industrie pour utiliser les électrolytes pour une batterie haute tension.

Ces matériaux agressifs, tels que les matériaux d'anode lithium-métal et de nickel et de cathode à haute tension, sont appelés tels parce qu'ils réagissent fortement avec d'autres matériaux, ce qui signifie qu'ils peuvent contenir beaucoup d'énergie mais ont également tendance à "manger" tous les autres éléments avec lesquels ils sont associés, les rendant inutilisables.

Chunsheng Wang, professeur au Département de génie chimique et biochimique de la Clark School, a collaboré avec Kang Xu à ARL et Khalil Amine à ANL sur ces nouveaux matériaux électrolytiques pour batteries. Puisque chaque élément du tableau périodique a un arrangement différent d'électrons, Wang étudie comment chaque permutation de structure chimique peut être un avantage ou un inconvénient dans une batterie. Lui et Xu dirigent également un effort de collaboration industrie-université-gouvernement appelé le Center for Research in Extreme Batteries, qui vise à fédérer les entreprises qui ont besoin de batteries pour des usages inhabituels avec les chercheurs qui peuvent les inventer.

"L'objectif de la recherche était de surmonter la limitation de capacité que subissent les batteries lithium-ion. Nous avons identifié que le fluor est l'ingrédient clé qui garantit que ces produits chimiques agressifs se comportent de manière réversible pour prolonger la durée de vie des batteries. Un autre avantage du fluor est qu'il rend le électrolytes généralement combustibles complètement incapables de s'enflammer, " dit Wang.

L'équipe a capturé une vidéo de plusieurs cellules de batterie prenant feu en quelques instants, mais la pile au fluor était étanche.

La forte population d'espèces fluorées dans les interphases est la clé du bon fonctionnement du matériau, même si les résultats ont varié pour différents chercheurs dans le passé concernant la fluoration.

"Vous pouvez trouver des preuves dans la littérature qui soutiennent ou désapprouvent le fluor en tant que bon ingrédient dans les interphases, " dit Xu, chercheur en laboratoire et chef d'équipe de recherche à l'ARL. "Ce que nous avons appris dans ce travail, c'est que, dans la plupart des cas, ce n'est pas seulement les ingrédients chimiques que vous avez dans l'interphase, mais comment ils sont arrangés et distribués."