Dans une batterie, l’électrolyte est le liquide qui permet aux ions de circuler entre les électrodes. Sans lui, pas de mouvement d’ions, donc pas de batterie qui fonctionne correctement. Aujourd’hui, les batteries lithium-ion utilisent souvent des sels de lithium mélangés à des solvants carbonatés. Ces solvants contiennent de l’oxygène, et cet oxygène aide à dissoudre les sels de lithium. C’est pratique, efficace, et largement maîtrisé.
Pourquoi l’électrolyte compte autant
Mais cette recette a ses limites. Les solvants actuels mouillent mal certains composants de la batterie, ce qui oblige à en utiliser davantage. Or plus on ajoute d’électrolyte, plus on prend de place et de masse qui ne servent pas directement à stocker l’énergie. Cela complique l’augmentation de la densité énergétique.
Autre problème : l’interaction entre le lithium et l’oxygène peut freiner le passage des charges entre l’électrolyte et les électrodes. Et quand il fait très froid, tout devient encore plus difficile. Les batteries peuvent perdre beaucoup de performance, voire ne plus fonctionner dans des conditions extrêmes.
L’équipe de l’université Nankai, en Chine, s’est donc intéressé à une autre voie. Dans leur article publié dans Nature, les chercheurs décrivent des solvants hydrocarbonés fluorés. L’idée est de remplacer la coordination classique entre lithium et oxygène par une coordination entre lithium et fluor.
Pour le dire plus simplement : au lieu de faire reposer la dissolution des sels de lithium sur l’oxygène, les scientifiques ont conçu des molécules où le fluor joue ce rôle. Mais ce n’est pas un simple échange d’étiquette. Il faut régler finement la densité électronique des atomes de fluor et la forme des molécules pour que l’ensemble fonctionne. Parmi les molécules testées, le 1,3-difluoropropane, ou DFP, se distingue. L’électrolyte obtenu affiche une faible viscosité, une bonne stabilité à haute tension et une conductivité encore mesurable à -70 °C.
Les tests sur batteries lithium-métal sont particulièrement parlants. Les cellules poche utilisant ces électrolytes atteignent plus de 700 Wh/kg à température ambiante, et environ 400 Wh/kg à -50 °C. Les chercheurs indiquent aussi obtenir jusqu’à 99,7 % d’efficacité coulombique lors des cycles de dépôt et de dissolution du lithium à -50 °C.
Ces résultats intéresseront notamment les véhicules électriques, le spatial et les systèmes de stockage installés dans des régions froides. Reste maintenant à voir comment cette chimie se comportera hors laboratoire : durée de vie, sécurité, coût et production à grande échelle seront les vrais tests.