Les batteries au lithium alimentent nos téléphones, ordinateurs, nombre de nos voitures et bien plus encore – même la perceuse et le coupe-bordures. Mais à mesure que la technologie progresse, peuvent-elles suivre dans leur format actuel ?
Non, mais il y a une voie à suivre, selon une nouvelle revue de chercheurs de l’Université Polytechnique de Hong Kong, en développant davantage les électrolytes qui permettent le stockage et la décharge d’énergie.
Le rôle des batteries au lithium dans notre vie moderne
Les batteries au lithium ont révolutionné notre vie moderne, a déclaré l’auteur principal de l’étude Zhijie Wang, chercheur postdoctoral au département de physique appliquée et à l’Institut de recherche sur l’énergie intelligente de l‘Université Polytechnique de Hong Kong. La performance des batteries au lithium – y compris la densité d’énergie, la durée de vie, la sécurité et plus encore – est grandement déterminée par la recette et la microstructure des électrolytes.
La composition des batteries au lithium
Les batteries au lithium se composent principalement de deux collecteurs de courant, une électrode chargée négativement, une électrode chargée positivement, un électrolyte et un séparateur. L’électrolyte transporte les ions lithium chargés positivement de l’électrode chargée positivement à travers le séparateur vers l’autre électrode et les ions chargés négativement dans l’autre sens.
Au fur et à mesure que les ions lithium se déplacent à travers l’électrolyte, l’anode collecte les électrons libres, conduisant à une charge positive à un collecteur de courant. Ce courant positif se décharge pour alimenter un appareil, circulant à travers et revenant à la batterie sous forme de courant négatif.
Les électrolytes dans les batteries au lithium
Les électrolytes sont le plus souvent composés d’une solution de sel de lithium dans un solvant polaire, ou d’une substance qui utilise une petite charge électrique produite par la forme de ses molécules pour dissoudre les sels et libérer les ions lithium.
Dans l’électrolyte conventionnel, les ions lithium se séparent avec les anions de sel ; dans les électrolytes à haute concentration (localisée) développés ces dernières années, les anions de sel sont solvatés avec les ions Li, et ils ont des fonctions uniques pour améliorer les performances de la batterie.
Vers des batteries plus robustes
Cependant, Zhijie Wang a déclaré, un type appelé électrolytes faiblement solvatants proposé pour cette utilisation il y a trois ans, permet d’offrir une voie vers des batteries plus robustes. Dans ce type d’électrolyte, les ions lithium sont faiblement coordonnés avec les molécules de solvant, et ils se coordonnent également avec les anions de sel chargés négativement.
« Une telle structure peut être obtenue dans une concentration de sel relativement diluée et sans l’utilisation de diluants non solvatants », a ajouté Zhijie Wang. « Cela le distingue des électrolytes conventionnels et des électrolytes à haute concentration (localisée). Il peut améliorer les propriétés de basse température, de charge rapide, de sécurité et de cyclage des batteries au lithium, il a donc suscité un intérêt de recherche intensif ces dernières années. »
En synthèse
Dans cette étude, les chercheurs ont examiné les articles de recherche récents sur les électrolytes faiblement solvatants et ont conclu que les principes de conception de base et les orientations futures de la recherche faisaient défaut.
« Nous avons constaté, à partir de la littérature actuelle, que la clé pour construire des électrolytes faiblement solvatants est de créer un équilibre entre les interactions des ions lithium avec le solvant et les anions », a commenté Z. Wang. « Nous avons également déterminé que les concepts de conception des électrolytes faiblement solvatants peuvent être étendus à d’autres batteries, comme les systèmes fabriqués avec du sodium, du potassium, du magnésium ou du zinc. »
Les chercheurs ont également recommandé que les travaux futurs dans ce domaine se concentrent sur la simplification des procédures de synthèse, l’amélioration des rendements et la réduction des coûts des composants de l’électrolyte.
« L’objectif de cet article est de promouvoir la compréhension des communautés de recherche et industrielles sur les fonctions, les principes de conception et les progrès récents de la recherche sur les électrolytes faiblement solvatants émergents », a conclu Z. Wang. « Nous espérons que nos perspectives contribueront à développer des batteries au lithium de nouvelle génération avec des propriétés robustes et ainsi augmenter leur part du marché des sources d’énergie, en particulier dans les véhicules électriques. »
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’une batterie au lithium ?
Une batterie au lithium est un type de batterie rechargeable qui utilise des ions lithium pour stocker l’énergie. Elle est composée de deux collecteurs de courant, une électrode chargée négativement, une électrode chargée positivement, un électrolyte et un séparateur.
Quel est le rôle des électrolytes dans les batteries au lithium ?
Les électrolytes transportent les ions lithium chargés positivement de l’électrode chargée positivement à travers le séparateur vers l’autre électrode et les ions chargés négativement dans l’autre sens. Ils sont essentiels pour le stockage et la décharge de l’énergie dans la batterie.
Qu’est-ce qu’un électrolyte faiblement solvatant ?
Un électrolyte faiblement solvatant est un type d’électrolyte où les ions lithium sont faiblement coordonnés avec les molécules de solvant, et ils se coordonnent également avec les anions de sel chargés négativement. Ce type d’électrolyte peut améliorer les propriétés de basse température, de charge rapide, de sécurité et de cyclage des batteries au lithium.
Quels sont les avantages des batteries au lithium ?
Les batteries au lithium ont une densité d’énergie élevée, une longue durée de vie, une sécurité améliorée et d’autres avantages. Elles ont révolutionné notre vie moderne en alimentant nos téléphones, ordinateurs, voitures et bien plus encore.
Quelles sont les perspectives d’avenir pour les batteries au lithium ?
Les chercheurs suggèrent que les travaux futurs dans ce domaine devraient se concentrer sur la simplification des procédures de synthèse, l’amélioration des rendements et la réduction des coûts des composants de l’électrolyte. Ils espèrent que leurs perspectives contribueront à développer des batteries au lithium de nouvelle génération avec des propriétés robustes et ainsi augmenter leur part du marché des sources d’énergie, en particulier dans les véhicules électriques.
Wang, Zhijie et Zhang, Biao. « Electrolytes for Lithium Batteries: A New Development ». Energy Materials and Devices, 18 septembre 2023. 10.26599/EMD.2023.9370003
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