Harry Cohen Tanugi

Des ingénieurs mettent au point des batteries lithium-ion qui fonctionnent bien dans des conditions de froid et de chaleur extrêmes

En matière de développement de batteries, les nouvelles ne manquent pas. D'une conception de la batterie qui pourrait durer jusqu'à 100 ans à un batterie à base d'eau qui est produite à la moitié du coût des batteries lithium-ion, il semble qu'il y ait toujours quelque chose de nouveau et d'excitant dans le domaine.

Maintenant, ees ingénieurs de l'Université de Californie, à San Diego, ont mis au point de nouvelles batteries lithium-ion chargées en énergie qui fonctionnent de manière optimale à des températures glaciales et brûlantes, selon un communiqué de l'institution publié lundi.

Opérations à des températures extrêmes

"Vous avez besoin d'un fonctionnement à haute température dans des zones où la température ambiante peut atteindre les trois chiffres et où les routes sont encore plus chaudes. Dans les véhicules électriques, les batteries sont généralement placées sous le plancher, à proximité de ces routes chaudes", explique Zheng Chen, professeur de nano-ingénierie à la Jacobs School of Engineering de l'UC San Diego et auteur principal de l'étude.

"De plus, les batteries se réchauffent simplement parce qu'elles sont parcourues par un courant pendant leur fonctionnement. Si les batteries ne peuvent pas tolérer cet échauffement à haute température, leurs performances se dégradent rapidement."

L'équipe de Chen a effectué des tests avec les prototypes de batteries et a constaté qu'elles conservaient 87,5 % et 115,9 % de leur capacité énergétique à -40 et 122 F (-40 et 50 C ), respectivement. Mieux encore, les chercheurs ont indiqué que les prototypes présentaient des efficacités coulombiennes élevées de 98,2 % et 98,7 % à ces températures, ce qui signifie que les batteries peuvent subir davantage de cycles de charge et de décharge avant de cesser de fonctionner.

Cependant, le développement de ces nouvelles batteries n'a pas été une tâche facile.

"Si vous voulez une batterie à haute densité d'énergie, vous devez généralement utiliser une chimie très dure et compliquée", a déclaré Chen. "Une énergie élevée signifie que plus de réactions se produisent, ce qui signifie moins de stabilité, plus de dégradation. Fabriquer une batterie à haute énergie qui soit stable est une tâche difficile en soi - essayer de le faire sur une large plage de températures est encore plus difficile."

Mise au point d'un électrolyte à base d'éther dibutylique

Afin de contourner ces obstacles, l'équipe a inventé un électrolyte à base d'éther dibutylique et a modifié la cathode de soufre pour la rendre plus stable en la greffant à un polymère empêchant le soufre de se dissoudre dans l'électrolyte.

Le résultat final est une batterie dont la durée de vie est beaucoup plus longue que celle d'une batterie lithium-soufre typique. "Notre électrolyte permet d'améliorer à la fois le côté cathode et le côté anode tout en offrant une conductivité et une stabilité interfaciale élevées", a déclaré Chen.

Les nouvelles batteries pourraient maintenant permettre aux véhicules électriques de se déplacer plus loin avec une seule charge dans les climats froids, tout en réduisant la nécessité de systèmes de refroidissement pour empêcher les batteries des véhicules de surchauffer dans les climats chauds. Mais d'abord, l'équipe doit mettre à l'échelle la chimie de la batterie, l'optimiser pour qu'elle fonctionne à des températures encore plus élevées et prolonger encore sa durée de vie.

L'étude est publiée dans le Actes de l'Académie nationale des sciences (PNAS).

Résumé :

La capacité de fonctionnement à toutes les températures climatiques et l'augmentation de la densité d'énergie ont été reconnues comme deux objectifs cruciaux, mais ils sont rarement atteints ensemble dans les batteries rechargeables au lithium (Li). Dans cet article, nous démontrons un système d'électrolyte en utilisant l'éther dibutylique monodenté avec des points de fusion bas et d'ébullition élevés comme seul solvant. Sa faible solvatation lui confère une structure de solvatation agrégée et une faible solubilité envers les espèces de polysulfure dans une concentration d'électrolyte relativement faible (2 mol L-1). Ces caractéristiques se sont avérées vitales pour éviter la croissance des dendrites et permettre des efficacités coulombiennes du métal Li de 99,0 %, 98,2 % et 98,7 % à 23 °C, -40 °C et 50 °C, respectivement. Les cellules de poche employant du Li métal mince (50 μm) et du polyacrylonitrile sulfuré à forte charge (3,3 mAh cm-2) (rapport de capacité négatif-positif = 2) produisent 87,5 % et 115,9 % de leur capacité à température ambiante à -40 °C et 50 °C, respectivement. Ce travail fournit des critères de conception basés sur les solvants pour une large gamme de température des piles à poche Li-soufre.



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