Les batteries lithium-métal (LMB), un type émergent de batteries rechargeables au lithium faites de métal à semi-conducteurs au lieu de lithium-ions, sont parmi les technologies de batteries rechargeables à haute densité d'énergie les plus prometteuses. Bien qu'elles présentent des caractéristiques avantageuses, ces batteries présentent plusieurs limites, notamment une faible densité énergétique et des problèmes de sécurité.
Ces dernières années, les chercheurs ont tenté de surmonter ces limitations en introduisant une conception alternative de cellule de batterie au lithium sans anode. Cette conception sans anode pourrait contribuer à augmenter la densité énergétique et la sécurité des batteries lithium-métal.
Des chercheurs de l'Institut national des sciences industrielles avancées et Technologie a récemment réalisé une étude visant à augmenter la densité énergétique des batteries au lithium sans anode, présente une nouvelle batterie au lithium sans anode à haute densité énergétique et longue durée de vie basée sur l'utilisation d'un Li2O agent sacrificiel.
Les architectures de batterie pleine cellule sans anode sont généralement basées sur une cathode entièrement lithiée avec un collecteur de courant en cuivre à anode nue. Remarquablement, les densités d'énergie gravimétrique et volumétrique des batteries au lithium sans anode peuvent être étendues à leur limite maximale. Les architectures de cellules sans anode présentent plusieurs autres avantages par rapport aux conceptions LMB plus conventionnelles, notamment un coût inférieur, une plus grande sécurité et des procédures d'assemblage de cellules plus simples.
Pour libérer tout le potentiel des LMB sans anode, les chercheurs doivent d'abord comprendre comment atteindre la réversibilité/stabilité du placage Li-métal. Alors que beaucoup ont essayé de résoudre ce problème en concevant et en sélectionnant des électrolytes plus favorables, la plupart de ces efforts ont jusqu'à présent été infructueux.
D'autres ont également exploré le potentiel d'utiliser des sels ou des additifs qui pourraient améliorer la réversibilité du placage/décapage au Li-métal. Après avoir examiné ces tentatives précédentes, les chercheurs de l'Institut national des sciences et technologies industrielles avancées ont proposé l'utilisation de Li2O comme agent sacrificiel, qui est préchargé sur un LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 la surface.
"Il est difficile de réaliser une réversibilité élevée du Li, en particulier compte tenu du réservoir de Li limité (généralement aucun excès de lithium) dans la configuration de la cellule", ont écrit les chercheurs dans leur article. « Dans cette étude, nous avons introduit Li2O comme agent sacrificiel préchargé sur un LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 cathode, fournissant une source de Li supplémentaire pour compenser la perte irréversible de Li pendant le cycle à long terme dans une cellule initiale sans anode.
En plus d'employer Li2O comme agent sacrificiel, les chercheurs ont proposé l'utilisation d'un additif d'éther fluoropropylique pour neutraliser l'O nucléophile2-, qui est libéré lors de l'oxydation de Li2O, et empêcher le dégagement supplémentaire d'O gazeux2 résultant de la fabrication d'un électrolyte à base de LiF déposé sur la surface de la cathode de la batterie.
« Nous montrons que O2– espèces, relâchées par Li2L'oxydation de l'O est neutralisée de manière synergique par un additif éther fluoré », ont expliqué les chercheurs dans leur article. "Cela conduit à la construction d'une couche à base de LiF à l'interface cathode/électrolyte, qui passive la surface de la cathode et limite la décomposition oxydante préjudiciable des solvants éthers."
Sur la base de la conception qu'ils ont conçue, Yu Qiao et le reste de l'équipe de l'Institut national des sciences et technologies industrielles avancées ont pu réaliser une cellule de poche sans anode initiale de 2.46 Ah à longue durée de vie. Cette cellule présentait une densité d'énergie gravimétrique de 320 Wh kg-1, maintenant une capacité de 80% après 300 cycles de fonctionnement.
À l'avenir, le lithium sans anode batterie introduites par ce groupe de recherche pourraient aider à surmonter certaines des limitations couramment signalées des LMB. De plus, sa conception pourrait inspirer la création de batteries rechargeables au lithium plus sûres avec des densités d'énergie plus élevées et des durées de vie plus longues.
