Images de tomographie à rayons X d’une électrode dans une cellule de batterie conventionnelle (à gauche) et d’une autre dans la cellule nouvellement conçue avec un nouvel électrolyte, où la fissuration est évitée.

Lorsqu’il s’agit d’architectures de batterie alternatives, les conceptions qui remplacent le graphite conventionnel dans l’une des électrodes par du lithium métallique à haute densité sont considérées comme extrêmement prometteuses. Une équipe du MIT a mis au point une nouvelle solution d’électrolyte qui peut s’adapter à cette chimie et résoudre l’un des principaux problèmes qui freinent cette technologie, ouvrant ainsi la voie à des voitures électriques et à des appareils mobiles qui pourraient durer beaucoup plus longtemps à chaque charge.

La notion de batterie au lithium métal ouvre la perspective d’appareils et de véhicules mobiles capables de transporter beaucoup plus de charge sans poids supplémentaire. Cela est dû à l’excellente densité énergétique promise par une anode en lithium métal pur. Il reste toutefois quelques problèmes techniques à résoudre avant que cette technologie ne devienne une réalité.

Il s’agit notamment des réactions chimiques qui ont lieu dans l’électrolyte, c’est-à-dire la solution qui transporte les ions de lithium entre l’anode et la cathode pendant la charge. Plus précisément, les atomes des alliages métalliques ont tendance à se dissoudre dans la solution électrolytique, ce qui fait que les électrodes perdent de la masse au fur et à mesure que la batterie est soumise à des cycles et finissent par se fissurer et se dégrader.

Les scientifiques du MIT pensent avoir trouvé une voie viable, issue de recherches antérieures sur les batteries lithium-air – une autre possibilité prometteuse, mais qui ne sera pas réalisée avant des années. Certains membres de l’équipe de recherche avaient mis au point, il y a plusieurs années, un nouvel électrolyte à base de molécules organiques pour les batteries lithium-air et ont décidé d’explorer son potentiel ailleurs.

Il s’agissait de voir comment l’électrolyte se comportait en combinaison avec les cathodes standard utilisées dans les batteries au lithium actuelles, qui sont des oxydes métalliques composés de lithium, de nickel, de manganèse et de cobalt, ainsi qu’avec une anode en lithium-métal. Lors des tests, le nouvel électrolyte s’est avéré très résistant à la dissolution des atomes métalliques, ce qui a empêché la perte de masse et la fissuration qui en résulte généralement.

Il a également réduit de plus de dix fois l’accumulation de composés indésirables à la surface de l’électrode, tout en permettant un déplacement aisé des ions de lithium nécessaires à la charge de la batterie. Si l’électrolyte s’est avéré très efficace lorsqu’il a été associé à la cathode en lithium-nickel-manganèse-cobalt, c’est la façon dont il a interagi avec l’anode en lithium métallique dans les expériences de l’équipe qui pourrait réellement ouvrir des voies intéressantes.

« L’électrolyte est chimiquement résistant à l’oxydation des matériaux riches en nickel à haute énergie, ce qui empêche la fracture des particules et stabilise l’électrode positive pendant le cycle », explique Yang Shao-Horn du MIT. « L’électrolyte permet également un décapage et un placage stables et réversibles du lithium métallique, une étape importante vers la création de batteries rechargeables au lithium-métal dont l’énergie est deux fois supérieure à celle des batteries lithium-ion actuelles. Cette découverte catalysera la recherche d’autres électrolytes et la conception d’électrolytes liquides pour les batteries lithium-métal rivalisant avec les électrolytes solides ».

Selon l’équipe, le nouvel électrolyte pourrait conduire à des batteries au lithium métal qui stockent environ 420 wH par kg, contre les 260 hW par kg offerts par les appareils actuels. Cela pourrait conduire à des smartphones ou des véhicules électriques qui pèsent le même poids, mais qui peuvent être utilisés beaucoup plus longtemps entre deux charges, ce qui pourrait signifier de grandes choses pour les transports en particulier.

Le prochain objectif des chercheurs est de mettre à l’échelle la production pour rendre la technologie abordable. Si l’électrolyte est simple à produire, il fait intervenir un composé précurseur rarement utilisé et donc cher à obtenir, mais cela pourrait changer à mesure que la production augmente. Le fait que cette technologie n’implique pas une refonte radicale de l’architecture des batteries joue également en sa faveur, l’équipe la décrivant comme un remplacement « immédiat » des électrolytes actuels.

« Je pense que si nous pouvons montrer au monde qu’il s’agit d’un excellent électrolyte pour l’électronique grand public, la motivation à le développer davantage contribuera à faire baisser le prix », déclare Jeremiah Johnson, auteur de l’étude.

https://www.nature.com/articles/s41560-021-00792-y

https://news.mit.edu/2021/lithium-metal-batteries-nickel-oxide-0325