Une batterie lithium-ion avec une solution aqueuse sans risque d’explosion
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Les chercheurs démontrent le prototype d’une batterie lithium-ion qui utilise une solution aqueuse comme son électrolyte. Connue comme une batterie aqueuse, celle-ci peut atteindre les 4 volts nécessaires à nos appareils électroniques tout en étant protégée contre les explosions ou l’inflammation des batteries actuelles.
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Les chercheurs de l’Université du Maryland et du Laboratoire de recherche de l’armée américaine ont développé une batterie au lithium-ion qui utilise une solution d’eau et de sel comme son électrolyte et qui produit les 4 volts qui sont nécessaires pour des appareils tels que les ordinateurs portables. Cette batterie lithium-ion ne peut pas s’enflammer ou exploser contrairement à certaines batteries lithium-ion non aqueuses disponibles dans le commerce. Leurs travaux sont publiés dans la revue Joule.1
Dans le passé, si vous vouliez une énergie élevée, alors vous deviez choisir une batterie au lithium-ion non aqueuse, mais vous devriez faire des compromis sur la sécurité. Si vous préférez la sécurité, alors vous pouvez utiliser une batterie aqueuse hybride se basant sur le nickel et le métal, mais vous auriez une énergie plus faible selon Kang Xu, auteur co-senior au Laboratoire de recherche de l’armée américaine spécialisé en électrochimie et en sciences des matériaux. Désormais, nous montrons que vous pouvez avoir une batterie qui ne risque pas d’exploser, mais qui propose l’énergie nécessaire.
Cette recherche suit une étude de 2015 qui avait produit une batterie similaire de 3 volts avec un électrolyte aqueux.2 Mais cette batterie de 2015 n’avait pas pu atteindre les 4 volts à cause d’un phénomène connu comme le “défi cathodique”. Dans le défi cathodique, une extrémité de la batterie, composée de graphite ou de lithium métal, est dégradée par l’électrolyte aqueux. Pour résoudre ce problème afin de passer aux 4 volts, Chongyin Yang, premier auteur et chercheur de l’Université du Maryland, a conçu un nouveau revêtement d’électrolyte polymère sous forme de gel qu’on peut appliquer sur l’anode au graphite ou au lithium.
Ce revêtement hydrophobe expulse les molécules d’eau du voisinage de la surface de l’électrode et ensuite, pendant la première charge, ce revêtement se décompose et forme une interphase stable. Cette interphase stable est un mélange fin des produits de décomposition qui sépare l’anode solide de l’électrolyte liquide. Cette interphase, inspirée par une couche générée dans des batteries non aqueuses, protège l’anode contre les réactions secondaires handicapantes en permettant à la batterie d’utiliser des matériaux anodaux classiques comme le graphite ou le lithium-métal tout en obtenant obtenir une meilleure densité énergétique et une meilleure capacité cyclique.
La principale innovation est de créer le bon gel qui peut bloquer le contact de l’eau avec l’anode de sorte que l’eau ne se décompose pas et il peut également former l’interphase adéquate pour supporter une performance élevée de la batterie selon Chunsheng Wang, professeur d’Ingénierie chimique et biomoléculaire à l’Université du Maryland.
L’ajout du revêtement de gel augmente également les avantages de sécurité de la nouvelle batterie par rapport aux batteries non aqueuses standard au lithium-ion. Et il augmente la densité d’énergie par rapport à toutes les autres batteries aqueuses sur le marché. Toutes les batteries aqueuses de lithium-ion bénéficient de l’ininflammabilité des électrolytes à base d’eau par opposition aux solvants organiques hautement inflammables dans les batteries non aqueuses. Mais cette batterie va plus loin, car même si la couche d’interphase est endommagée (par exemple, si le boîtier de la batterie est perforé), alors elle va réagir lentement avec l’anode empêchant le feu ou l’explosion qui pourrait se produire si le métal est en contact direct avec l’électrolyte.
Même si la puissance et la densité d’énergie de la nouvelle batterie conviennent aux applications commerciales utilisées par des batteries non aqueuses plus dangereuses, certaines améliorations sont nécessaires pour la rendre plus compétitive. Ainsi, les chercheurs souhaitent augmenter le nombre de cycles complets que la batterie peut compléter et réduire les dépenses matérielles dans la mesure du possible. À l’heure actuelle, nous parlons de 50 à 100 cycles, mais pour comparer avec les batteries d’électrolyte organique, nous voulons arriver à 500 cycles ou plus selon Wang.
Les chercheurs notent également que les manipulations électrochimiques pour passer aux 4 volts ont de l’importance au-delà des batteries. C’est la première fois que nous pouvons stabiliser les anodes réellement réactives comme le graphite et le lithium dans des milieux aqueux selon Xu. Cela ouvre une nouvelle voie sur de nombreux sujets différents en électrochimie incluant les batteries au sodium-ion, les batteries au lithium-soufre, les chimies multiples d’ions impliquant le zinc et le magnésium ou même la galvanoplastie et la synthèse électrochimique.
