Un nouvel électrolyte peut aider les batteries de véhicules électriques à résister au froid

La densité énergétique croissante des batteries lithium-ion au fil des ans a conduit à des véhicules électriques avec une autonomie plus longue. Mais cette autonomie chute en même temps que les températures en hiver. Cette baisse des performances de la batterie est l'une des raisons que les clients citent souvent pour ne pas vouloir acheter un VE.

En repensant l'électrolyte de la batterie, les chercheurs ont maintenant fabriqué une batterie qui fonctionne à des températures allant jusqu'à -20 °C. Comparée à d'autres batteries pour temps froid que les chercheurs ont rapportées jusqu'à présent, celle-ci a une durée de vie record de plus d'un an.

Les batteries d'aujourd'hui fonctionnent bien à des températures comprises entre 0 °C et 40 °C. Pour un déploiement plus répandu, les développeurs s'efforcent de fabriquer des batteries qui fonctionnent sur une plage de températures plus large, de -40 °C à 60 °C. "La densité d'énergie élevée et la longue durée de vie des batteries lithium-ion à basse température sont essentielles au développement de véhicules électriques tout climat", déclare Chong Yan de l'Institut de technologie de Pékin.

Pour que les batteries continuent de fonctionner dans le froid aujourd'hui, les fabricants ajoutent une isolation externe et de la chaleur. Mais cela ajoute également du volume, et le transport de ce poids supplémentaire réduit l'autonomie. De plus, ce n'est pas idéal pour les batteries par temps froid pour les applications sensibles au poids, telles que les drones et les satellites à haute altitude.

De nombreux chercheurs tentent d'améliorer les performances de la batterie à basse température en se concentrant sur les électrolytes qui transportent les ions lithium entre les électrodes de la batterie. Les températures glaciales épaississent ces électrolytes, de sorte que les ions se déplacent plus lentement, entraînant une perte de capacité et une charge lente. Certaines équipes ont récemment utilisé des solvants à basse température pour fabriquer des électrolytes ou testé des additifs chimiques dans les électrolytes qui aident à améliorer leur tolérance au froid. D'autres ont formulé des électrolytes complètement nouveaux qui peuvent supporter une large gamme de températures.

Yan, ainsi que Qiang Zhang de l'Université Tsinghua et leurs collègues, se sont concentrés sur l'approche des solvants à basse température. Bien que ces solvants améliorent les performances par temps froid, ils sont connus pour produire des gaz à haute température qui réduisent la durée de vie de la batterie. "Pourtant, le mécanisme de génération de gaz et la stratégie d'inhibition correspondante restent inconnus", a déclaré Yan.

Dans leur article publié dans la revue Matter, les chercheurs dévoilent maintenant le mécanisme derrière cette génération de gaz et proposent un nouvel électrolyte à haute concentration qu'ils ont conçu pour contourner le problème.

Ils ont découvert que le placage au lithium - l'accumulation de lithium métallique à la surface de l'anode en graphite de la batterie - est le coupable de la génération de gaz. À des températures hivernales, parce que les ions lithium se déplacent lentement, ils ont tendance à s'entasser lorsqu'ils entrent de l'électrolyte dans le graphite, de sorte que du lithium métal finit par s'accumuler à la surface. Les chercheurs ont découvert que l'acétate d'éthyle, un solvant à basse température couramment utilisé, réagit violemment avec ce lithium plaqué, entraînant la formation de gaz d'hydrogène et d'éthane. La pression de l'accumulation de gaz finit par fissurer les électrodes et faire tomber la batterie.

Pour lutter contre cette génération de gaz, les chercheurs ont fabriqué un électrolyte en dissolvant une quantité plus importante que d'habitude de sels de lithium dans un solvant composé à 90 % d'acétate d'éthyle et à 10 % de carbonate de fluoroéthylène.

Les chercheurs ont ensuite fabriqué une cellule de batterie avec cet électrolyte, une anode en graphite et une cathode NMC811, composée à 80 % de nickel, 10 % de cobalt et 10 % de manganèse. Les cathodes NMC811 sont utilisées dans les batteries lithium-ion hautes performances d'aujourd'hui en raison de leur haute densité d'énergie et de l'utilisation minimale de cobalt coûteux.

"Tous les matériaux que nous utilisons sont disponibles dans le commerce et l'électrolyte proposé est raisonnable à fabriquer à grande échelle", déclare Yan, rendant la nouvelle approche facilement applicable aux chimies et processus de fabrication courants des batteries d'aujourd'hui.

Les chercheurs montrent que l'utilisation d'acétate d'éthyle comme solvant principal permet à la cellule de batterie de fonctionner à des températures allant jusqu'à -40 °C. Le sel de lithium réagit avec le carbonate de fluoroéthylène, pendant ce temps, pour former une couche solide sur l'anode qui conduit les ions lithium mais protège également tout lithium métallique qui plaque inévitablement la surface. La couche protectrice empêche le lithium plaqué de réagir avec l'acétate d'éthyle et de former des gaz.

Lors des tests, les cellules ont conservé plus des trois quarts de leur capacité à température ambiante à -40 °C. Et ils pourraient être chargés pendant plus de 1 400 cycles, ce qui correspond au nombre moyen de cycles de charge qu'une batterie subit sur une année.

Il reste cependant des goulots d'étranglement à surmonter, dit Yan. L'électrolyte a un coût relativement élevé par rapport aux électrolytes conventionnels et la batterie ne fonctionne pas efficacement à des températures inférieures à -50 °C. Ainsi, l'équipe prévoit désormais "d'optimiser davantage la concentration de sel de lithium et le type de solvant, en s'efforçant de réduire le coût de l'électrolyte" ainsi que d'améliorer les performances à basse température.