Argonne National Lab crée du lithium

Sep 25, 2023

Les chercheurs d'Argonne National Lab pensent qu'ils pourraient avoir une solution pour les batteries lithium-ion qui fonctionnent mal dans le froid.

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Les personnes qui vivent dans des climats froids et conduisent des voitures électriques savent que les batteries lithium-ion de leur voiture ne fonctionnent pas aussi bien à des températures glaciales. Ils ne chargent pas aussi vite et ne vont pas aussi loin. C'est un problème, mais le Laboratoire national d'Argonne dit qu'il pourrait avoir la réponse.

Dans un article de blog, les scientifiques d'Argonne affirment que dans les batteries lithium-ion d'aujourd'hui, l'électrolyte liquide qui sert de voie aux ions pour se déplacer entre la cathode et l'anode lorsque la batterie se charge et se décharge commence à geler à des températures inférieures à zéro. Cette condition limite considérablement l'efficacité de la recharge des véhicules électriques dans les régions et les saisons froides.

Une équipe de scientifiques des laboratoires nationaux Argonne et Lawrence Berkeley a collaboré pour développer un électrolyte fluoré qui fonctionne bien même à des températures inférieures à zéro. "Notre recherche a ainsi démontré comment adapter la structure atomique des solvants électrolytiques pour concevoir de nouveaux électrolytes pour des températures inférieures à zéro", explique John Zhang, qui dirige le groupe de recherche au Argonne National Lab.

"Notre équipe a non seulement trouvé un électrolyte antigel dont les performances de charge ne diminuent pas à moins 4 degrés Fahrenheit, mais nous avons également découvert, au niveau atomique, ce qui le rend si efficace", a déclaré Zhang, chimiste principal et chef de groupe dans la division des sciences chimiques et de l'ingénierie d'Argonne. Cet électrolyte à basse température est prometteur pour les batteries des véhicules électriques, ainsi que pour le stockage d'énergie des réseaux électriques et de l'électronique grand public comme les ordinateurs et les téléphones.

Vous n'avez pas besoin de savoir comment fonctionne une batterie pour conduire une voiture électrique, tout comme vous n'avez pas besoin de savoir comment fonctionne un moteur à quatre temps pour conduire une voiture conventionnelle. La plupart d'entre nous n'ont probablement guère plus qu'une compréhension rudimentaire du fonctionnement des batteries lithium-ion. Argonne Lab explique que l'électrolyte utilisé dans la plupart des batteries lithium-ion aujourd'hui est un mélange d'un sel largement disponible - l'hexafluorophosphate de lithium - et de solvants carbonates tels que le carbonate d'éthylène. Les solvants dissolvent le sel pour former un liquide.

Lorsqu'une batterie est chargée, l'électrolyte liquide transporte les ions lithium de la cathode, qui est généralement un oxyde contenant du lithium, vers l'anode, qui est généralement en graphite. Ces ions migrent hors de la cathode, puis traversent l'électrolyte pour se rendre dans l'anode. Pendant qu'ils sont transportés à travers l'électrolyte, ils se trouvent au centre d'amas de quatre ou cinq molécules de solvant.

Au cours des premières charges, ces amas frappent la surface de l'anode et forment une couche protectrice appelée interphase électrolyte solide. Une fois formée, cette couche agit comme un filtre. Il ne laisse passer que les ions lithium à travers la couche tout en bloquant les molécules de solvant. C'est ce qui permet à l'anode de stocker des atomes de lithium dans la structure du graphite lorsque la batterie est chargée. Lors de la phase de décharge, les réactions électrochimiques libèrent des électrons du lithium pour générer de l'électricité qui est ensuite utilisée pour alimenter les véhicules électriques.

Lorsque la température baisse, l'électrolyte contenant des solvants carbonates commence à geler. Cela lui fait perdre sa capacité à transporter les ions lithium vers l'anode pendant la charge, car les ions lithium sont si étroitement liés dans les amas de solvants. Par conséquent, ces ions nécessitent une énergie beaucoup plus élevée pour évacuer leurs amas et pénétrer la couche d'interface qu'ils ne le font à température ambiante. Les scientifiques pensaient que la solution aux mauvaises performances par temps froid était de trouver un meilleur solvant qui ne gèlerait pas.

L'équipe a étudié plusieurs solvants infusés de fluor et a pu identifier celui qui présentait la barrière d'énergie la plus faible pour libérer les ions lithium des amas à une température inférieure à zéro. Ils ont également déterminé à l'échelle atomique pourquoi cette composition particulière fonctionnait si bien - cela dépendait de la position des atomes de fluor dans chaque molécule de solvant et de leur nombre.

Lors des tests avec des cellules de laboratoire, l'électrolyte fluoré a conservé une capacité de stockage d'énergie stable pendant 400 cycles de charge/décharge à moins 4 degrés Fahrenheit. Même à cette température, la capacité de la batterie était équivalente à celle d'une cellule avec un électrolyte classique à base de carbonate à température ambiante. "Notre recherche a ainsi démontré comment adapter la structure atomique des solvants électrolytiques pour concevoir de nouveaux électrolytes pour des températures inférieures à zéro", a déclaré Zhang.

L'électrolyte antigel est également venu avec un bonus important. Il est beaucoup plus sûr que les électrolytes à base de carbonate actuellement utilisés, car il ne s'enflamme pas. "Nous brevetons notre électrolyte à basse température et plus sûr et recherchons maintenant un partenaire industriel pour l'adapter à l'une de leurs conceptions pour les batteries lithium-ion", a déclaré Zhang.

Les collègues scientifiques de Zhang à Argonne sont Dong-Joo Yoo, Qian Liu et Minkyu Kim. Les auteurs du Berkeley Lab sont Orion Cohen et Kristin Persson. Le travail a été financé par le Bureau de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables du DOE, Bureau des technologies des véhicules.

Crédit image: Argonne National Lab via Advanced Energy Materials

La recherche est expliquée en détail dans la revue Advanced Energy Materials. Je ne suis pas un scientifique et je n'en ai jamais joué à la télévision. C'est une bonne chose parce que la prose turgescente de la plupart des écrits scientifiques me glace les yeux. Si vous souhaitez en savoir plus sur cette recherche, je vous encourage à suivre le lien ci-dessus et à vous assommer. Le document de recherche porte le titre accrocheur de "Conception rationnelle d'électrolytes fluorés pour les batteries lithium-ion à basse température".

De nombreux lecteurs de CleanTechnica sont assez avertis en ce qui concerne les choses alimentées par l'électricité et je sais que beaucoup d'entre vous veulent savoir si ce nouvel électrolyte présente des inconvénients négatifs à température ambiante ou réduit la durée de vie de la batterie, ce qui pourrait empêcher les fabricants de batteries de s'intéresser à cette nouvelle technologie. Voici un extrait de la recherche qui pourrait répondre à certaines de ces préoccupations.

"La cyclabilité à long terme à des taux de C élevés et à basses températures est considérée comme l'un des aspects les plus difficiles des batteries lithium-ion. Pour prouver la supériorité de nos électrolytes, nous avons effectué des tests de cyclage à long terme dans diverses conditions.

"Lorsqu'un courant de 2 C a été appliqué à 25 ° C, l'électrolyte d'acétate d'éthyle avec du fluor s'est progressivement dégradé jusqu'à une rétention de capacité de 73% après 400 cycles tandis que l'électrolyte d'acétate d'éthyle avec additif LiDFOB a montré la meilleure rétention de capacité de 91% après 400 cycles. Cette tendance se poursuit à un courant encore plus élevé de 6 C.

"Alors que Gen 2 se dégradait rapidement à 34 % en 50 cycles, l'électrolyte avec additif LiDFOB présentait la meilleure rétention de capacité de 85 % même après 500 cycles. Lorsqu'un courant de C/3 était appliqué à -20 °C, les électrolytes Gen 2 et acétate d'éthyle présentaient une grave dégradation de capacité, correspondant respectivement à 7,5 % et 34 % de rétention de capacité après 300 cycles.

"À l'opposé, l'acétate d'éthyle avec électrolyte fluoré avec additif LiDFOB a montré une perte de capacité négligeable et a conservé 97 % de capacité même après 300 cycles. De plus, dans toutes les conditions de test, les efficacités coulombiennes de l'électrolyte EA-f avec additif LiDFOB étaient supérieures à celles des autres électrolytes. Ce résultat de test de cycle révèle la stabilité supérieure de notre électrolyte pour les opérations de charge rapide et à basse température."

Les moteurs à combustion interne d'aujourd'hui partagent peu de caractéristiques avec les moteurs d'il y a 100 ans, à l'exception du principe de base du moteur à quatre temps qui peut être réduit à ses bases par cette phrase - Suck, Push, Bang, Blow. La technologie des batteries progresse rapidement aujourd'hui, grâce à des milliers de chercheurs du monde entier comme le Dr Zhang et ses collègues du laboratoire national d'Argonne.

Les mauvaises performances par temps froid sont un problème qui doit être résolu avant que la révolution des véhicules électriques puisse être considérée comme terminée. Nous ignorons beaucoup de choses sur les batteries lithium-ion à électrolytes fluorés, à commencer par la manière dont la présence de fluor affectera la fabrication et le recyclage des batteries lithium-ion.

Après tout, le fluor est un produit chimique puissant qui endommage la couche d'ozone lorsqu'il pénètre dans l'atmosphère. De plus, différentes chimies de batterie telles que le phosphate de fer au lithium semblent être moins affectées par les températures froides que les batteries NMC plus courantes. Qui sait comment les batteries au sodium ou au soufre peuvent fonctionner dans le monde réel une fois qu'elles sortent des laboratoires et entrent en production commerciale,

La seule chose dont nous pouvons être relativement certains, c'est que les batteries utilisées dans une décennie seront aussi différentes des batteries d'aujourd'hui que les transistors le sont des tubes à vide. La révolution des véhicules électriques ne fait que commencer. Nous avons hâte de voir ce qui va suivre.

Steve écrit sur l'interface entre la technologie et la durabilité depuis son domicile en Floride ou n'importe où ailleurs où la Force pourrait le conduire. Il est fier d'être "réveillé" et ne se soucie pas vraiment de savoir pourquoi le verre s'est cassé. Il croit passionnément à ce que disait Socrate il y a 3000 ans : "Le secret du changement est de concentrer toute votre énergie non pas sur la lutte contre l'ancien mais sur la construction du nouveau."

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