Les propriétaires de véhicules électriques se posent de nombreuses questions sur l’efficacité de leurs batteries dans des conditions de grand froid. Aujourd’hui, une nouvelle chimie de batterie semble avoir résolu ce problème.
Dans les batteries lithium-ion actuelles, le principal problème réside dans l’électrolyte liquide, composant crucial de la batterie qui transfère les ions – des particules porteuses de charge – entre les deux électrodes de la batterie, permettant ainsi la charge et la décharge de la batterie. Toutefois, ce liquide commence à geler à des températures inférieures à zéro, ce qui limite considérablement l’efficacité de la charge des véhicules électriques dans les régions et saisons froides.
Pour résoudre ce problème, une équipe de scientifiques des laboratoires nationaux Argonne et Lawrence Berkeley du Département américain de l’Énergie (DOE) a mis au point un électrolyte contenant du fluor, performant même à des températures inférieures à zéro.
« Notre équipe a non seulement trouvé un électrolyte antigel dont la performance de charge ne décline pas à moins 4 degrés Fahrenheit ( -15°C), mais nous avons aussi découvert, à l’échelle atomique, ce qui le rend si efficace« , a déclaré Zhengcheng « John » Zhang, chimiste senior et chef de groupe à la division des sciences et de l’ingénierie chimique d’Argonne.
Cet électrolyte à basse température semble prometteur pour les batteries des véhicules électriques, ainsi que pour le stockage d’énergie pour les réseaux électriques et les appareils électroniques grand public tels que les ordinateurs et les téléphones.
Dans les batteries lithium-ion actuelles, l’électrolyte est un mélange d’un sel largement disponible (hexafluorophosphate de lithium) et de solvants à base de carbonate tels que l’éthylène carbonate. Les solvants dissolvent le sel pour former un liquide.
Lorsqu’une batterie est chargée, l’électrolyte liquide transporte les ions lithium de la cathode (un oxyde contenant du lithium) à l’anode (graphite). Ces ions migrent hors de la cathode, puis passent par l’électrolyte en route vers l’anode. Lors de leur transport à travers l’électrolyte, ils se situent au centre de grappes de quatre ou cinq molécules de solvant.
Le problème est qu’à des températures froides, l’électrolyte à base de solvants carbonatés commence à geler. Par conséquent, il perd sa capacité à transporter les ions lithium dans l’anode lors de la charge. C’est parce que les ions lithium sont si étroitement liés au sein des grappes de solvant. Ces ions nécessitent donc beaucoup plus d’énergie pour évacuer leurs grappes et pénétrer la couche d’interface qu’à température ambiante. C’est pour cette raison que les scientifiques ont été à la recherche d’un meilleur solvant.
L’équipe a examiné plusieurs solvants contenant du fluor. Ils ont pu identifier la composition qui avait la plus faible barrière énergétique pour libérer les ions lithium à une température inférieure à zéro. Ils ont également déterminé à l’échelle atomique pourquoi cette composition particulière fonctionnait si bien. Tout dépendait de la position des atomes de fluor dans chaque molécule de solvant et de leur nombre.
Dans des tests avec des cellules de laboratoire, l‘électrolyte fluoré de l’équipe a conservé une capacité de stockage d’énergie stable pour 400 cycles de charge-décharge à moins 4 F (-15°C). Même à cette température inférieure à zéro, la capacité était équivalente à celle d’une cellule avec un électrolyte conventionnel à base de carbonate à température ambiante.
« Notre recherche a ainsi démontré comment ajuster la structure atomique des solvants d’électrolyte pour concevoir de nouveaux électrolytes pour des températures inférieures à zéro« , a déclaré Zhang.
L’électrolyte antigel présente en outre une propriété bonus. Il est beaucoup plus sûr que les électrolytes à base de carbonate actuellement utilisés, car il ne prend pas feu.
Nous sommes en train de déposer un brevet pour notre électrolyte à basse température et plus sûr, et nous cherchons actuellement un partenaire industriel pour l’adapter à l’un de leurs designs pour les batteries lithium-ion », a déclaré Zhang.
Cette recherche est publiée dans Advanced Energy Materials. Outre John Zhang, les auteurs d’Argonne sont Dong-Joo Yoo, Qian Liu et Minkyu Kim. Les auteurs de Berkeley Lab sont Orion Cohen et Kristin Persson.
Ces travaux ont été financés par le DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Vehicle Technologies Office.
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