Une nouvelle batterie au lithium atteint une densité de plus de 700 Wh/kg et fonctionne à -50 °C

Une équipe de recherche chinoise a mis au point un nouvel électrolyte à base d'hydrofluorocarbone qui permet de dépasser les plafonds actuels de performance des batteries. Publiée dans la revue Nature, l'étude révèle un solvant capable de fournir des densités d'énergie supérieures à 700 Wh/kg à température ambiante et d'environ 400 Wh/kg à -50 °C (122 °F). Ces performances sont nettement supérieures à celles des batteries de véhicules électriques classiques, qui atteignent généralement une densité d'environ 270 Wh/kg dans des conditions normales, ce qui ouvre de nouvelles perspectives dans les domaines de l'aérospatiale, du stockage en réseau et du transport électrique dans des climats extrêmes.

Historiquement, les électrolytes des batteries reposent sur des ligands à base d'oxygène et d'azote pour transporter les charges entre la cathode et l'anode. Toutefois, ces matériaux traditionnels créent une forte liaison qui entrave le transfert de charge à l'interface électrode-électrolyte, ce qui limite considérablement les performances à basse température ou lors d'une charge rapide. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont synthétisé six solvants hydrofluorocarbonés monofluorés. En concevant spécifiquement les ligands à base de fluor avec un encombrement stérique et une basicité de Lewis ajustés, l'équipe a amélioré la dissolution du sel de lithium pour dépasser 2 mol/L.

Le solvant qui s'est distingué, le 1,3-difluoropropane, a démontré des propriétés exceptionnelles, notamment une faible viscosité de 0,95 centipoise et une grande stabilité à l'oxydation au-dessus de 4,9 volts. En incorporant des atomes de fluor dans la première coquille de solvatation, la faible coordination qui en résulte facilite un placage et un décapage très efficaces du lithium. Ce mécanisme permet d'obtenir une efficacité coulombienne de 99,7 % et une densité de courant d'échange supérieure d'une magnitude complète à celle des systèmes traditionnels à base d'oxygène à -50 °C (122 °F).

Les essais ont été concluants dans les piles à poche lithium-métal fonctionnant avec des quantités d'électrolyte inférieures à 0,5 gramme par ampère-heure. Selon les chercheurs, cette chimie de coordination du fluor dépasse les limites de la conception électrochimique traditionnelle. La modulation future des rapports entre le carbone et le fluor pourrait permettre d'obtenir des variations de point d'ébullition encore plus stables et supérieures à 100 °C, ce qui ouvrirait une voie prometteuse pour augmenter encore la puissance et la densité énergétique des systèmes de stockage d'énergie de la prochaine génération.