Une équipe universitaire chinoise repousse les limites des batteries lithium-ion.

Hangzhou, 19 mars (China News Service) -- Selon un rapport de l'université Westlake du 19 mars, une équipe de recherche de l'université a développé de manière innovante un « électrolyte couplé par navette », surmontant avec succès le principal obstacle que représente la courte durée de vie des cycles des batteries au lithium métal sans électrode négative, et faisant un pas solide vers la production en masse à grande échelle de batteries à haute densité énergétique.

Une équipe dirigée par Wang Jianhui du Collège d'ingénierie de l'Université de Westlake a publié en ligne dans la revue Nature, le 18 (heure de Pékin), un article intitulé « Le dépôt et la dissolution planaires du lithium permettent des cellules à poche sans anode pratiques ».

Les batteries au lithium métal sans électrode négative sont considérées comme le « Saint Graal » du domaine des batteries au lithium en raison de leurs avantages que sont leur haute densité énergétique, leur faible coût et leur facilité d'assemblage, mais leur défaut fatal, à savoir une durée de vie extrêmement courte, les a longtemps maintenues au stade de prototype de laboratoire.

Les batteries traditionnelles sans électrode négative ne disposent pas de source de lithium supplémentaire pour leur recharge. Lors de la charge, les ions lithium ont tendance à se déposer de manière irrégulière sur la surface du collecteur de courant en feuille de cuivre, formant des dendrites. Ce phénomène déclenche des réactions parasites et produit du « lithium mort », entraînant une dégradation rapide de la batterie. Les produits actuels ont une durée de vie de seulement 10 à 150 cycles, bien inférieure aux plus de 800 cycles des batteries lithium-ion commerciales.

Après cinq ans et demi de recherche, l'équipe de Wang Jianhui a mis au point un « électrolyte couplé par navette » capable de réaliser un dépôt et une dissolution planaires hautement synchrones du lithium métallique, résolvant fondamentalement le problème des dendrites.

Selon Wang Jianhui, cet électrolyte peut former un film SEI polymère bore-fluor uniforme et d'épaisseur subnanométrique à la surface de l'électrode négative. Cette « peau adaptative » permet aux ions lithium d'entrer et de sortir de manière uniforme, tout en s'adaptant à la dilatation et à la contraction du lithium métallique sans se rompre. Plus important encore, ce film SEI se forme grâce à l'évolution synergique des électrodes positive et négative dans l'espace, remettant en question la théorie traditionnelle de la chimie de l'interface électrolyte-électrode.

Les données expérimentales montrent que la batterie lithium-métal souple sans électrode négative développée par l'équipe atteint une densité énergétique de 508 Wh/kg et 1 668 Wh/L sans modification du collecteur de courant ni ajout externe de lithium. Elle présente une cyclabilité stable sur plus de 350 cycles à 80 % de profondeur de décharge, supporte une décharge continue à 2 650 W/kg pendant plus de 130 secondes et fonctionne sur une large plage de températures, de -40 °C à 60 °C. Son coût par wattheure est de 15 % à 25 % inférieur à celui des batteries lithium-ion commerciales à base de graphite. L'analyse par titrage par spectrométrie de masse confirme que le pourcentage de lithium inactif après un fonctionnement prolongé n'est que de 3,5 %, bien inférieur à celui d'électrolytes avancés similaires.

Le mécanisme proposé de « dépôt et dissolution planaire du lithium » surmonte l'instabilité inhérente aux structures d'électrodes métalliques sans support, ouvrant ainsi une nouvelle voie pour le développement d'électrodes métalliques hautes performances, au-delà du mécanisme de « chimie d'enrobage ». Cette avancée majeure devrait stimuler le développement des voitures volantes, des véhicules électriques, des lunettes de réalité augmentée/virtuelle et d'autres domaines, permettant de concrétiser des scénarios tels que des vols interurbains quotidiens pour les voitures volantes et le doublement de l'autonomie des véhicules électriques.