Arrière-plan

En 1800, le physicien italien A. Volta a construit la pile voltaïque, qui a ouvert la voie aux batteries pratiques et décrit pour la première fois l'importance de l'électrolyte dans les dispositifs de stockage d'énergie électrochimique. L'électrolyte peut être vu comme une couche électroniquement isolante et conductrice d'ions sous forme de liquide ou de solide, insérée entre les électrodes négative et positive. Actuellement, l'électrolyte le plus avancé est fabriqué en dissolvant le sel de lithium solide (par exemple LiPF6) dans un solvant carbonate organique non aqueux (par exemple EC et DMC). Selon la forme et la conception générales de la cellule, l'électrolyte représente généralement 8 à 15 % du poids de la cellule. Quoi'De plus, son inflammabilité et sa plage de température de fonctionnement optimale de -10°C à 60°C entravent grandement l’amélioration de la densité énergétique et de la sécurité de la batterie. Par conséquent, les formulations innovantes d’électrolytes sont considérées comme un élément clé pour le développement de la prochaine génération de nouvelles batteries.

Les chercheurs travaillent également au développement de différents systèmes électrolytiques. Par exemple, l’utilisation de solvants fluorés permettant d’obtenir un cycle efficace du lithium métal, des électrolytes solides organiques ou inorganiques qui profitent à l’industrie automobile et aux « batteries à semi-conducteurs » (SSB). La raison principale est que si l'électrolyte solide remplace l'électrolyte liquide et le diaphragme d'origine, la sécurité, la densité énergétique unique et la durée de vie de la batterie peuvent être considérablement améliorées. Ensuite, nous résumons principalement les progrès de la recherche sur les électrolytes solides avec différents matériaux.

Électrolytes solides inorganiques

Des électrolytes solides inorganiques ont été utilisés dans des dispositifs de stockage d'énergie électrochimiques commerciaux, tels que certaines batteries rechargeables à haute température Na-S, les batteries Na-NiCl2 et les batteries primaires Li-I2. En 2019, Hitachi Zosen (Japon) a présenté une batterie de poche entièrement solide de 140 mAh destinée à être utilisée dans l'espace et testée sur la Station spatiale internationale (ISS). Cette batterie est composée d'un électrolyte sulfuré et d'autres composants de batterie non divulgués, pouvant fonctionner entre -40°C et 100°C. En 2021, la société introduit une batterie solide de plus grande capacité, de 1 000 mAh. Hitachi Zosen voit le besoin de batteries solides pour les environnements difficiles tels que les équipements spatiaux et industriels fonctionnant dans des environnements typiques. L’entreprise prévoit de doubler la capacité de la batterie d’ici 2025. Mais jusqu’à présent, il n’existe aucun produit de batterie entièrement solide disponible dans le commerce pouvant être utilisé dans les véhicules électriques.

Électrolytes organiques semi-solides et solides

Dans la catégorie des électrolytes solides organiques, le français Bolloré a commercialisé avec succès un électrolyte PVDF-HFP de type gel et un électrolyte PEO de type gel. L’entreprise a également lancé des programmes pilotes d’autopartage en Amérique du Nord, en Europe et en Asie pour appliquer cette technologie de batterie aux véhicules électriques, mais cette batterie polymère n’a jamais été largement adoptée dans les voitures particulières. Un facteur contribuant à leur faible adoption commerciale est qu'ils ne peuvent être utilisés qu'à des températures relativement élevées (50°C à 80°C) et les plages de basse tension. Ces batteries sont désormais utilisées dans les véhicules utilitaires, comme certains bus urbains. Il n'existe aucun cas de travail avec des batteries à électrolyte polymère solide pur à température ambiante (c'est-à-dire environ 25°C).

La catégorie semi-solide comprend les électrolytes très visqueux, tels que les mélanges sel-solvant, la solution électrolytique qui a une concentration en sel supérieure à la norme 1 mol/L, avec des concentrations ou des points de saturation pouvant atteindre 4 mol/L. Un problème avec les mélanges d'électrolytes concentrés est la teneur relativement élevée en sels fluorés, qui soulève également des questions sur la teneur en lithium et l'impact environnemental de ces électrolytes. En effet, la commercialisation d’un produit mature nécessite une analyse complète du cycle de vie. Et les matières premières pour les électrolytes semi-solides préparés doivent également être simples et facilement disponibles pour être plus facilement intégrées dans les véhicules électriques.

Électrolytes hybrides

Les électrolytes hybrides, également appelés électrolytes mixtes, peuvent être modifiés sur la base d'électrolytes hybrides à solvant aqueux/organique ou en ajoutant une solution électrolytique liquide non aqueuse à un électrolyte solide, en tenant compte de la capacité de fabrication et de l'évolutivité des électrolytes solides et des exigences en matière de technologie d'empilement. Cependant, ces électrolytes hybrides sont encore au stade de la recherche et il n’existe aucun exemple commercial.

Considérations pour le développement commercial des électrolytes

Les plus grands avantages des électrolytes solides sont une sécurité élevée et une longue durée de vie, mais les points suivants doivent être soigneusement pris en compte lors de l'évaluation d'électrolytes liquides ou solides alternatifs :

• Processus de fabrication et conception de systèmes d’électrolyte solide. Les batteries de jauges de laboratoire sont généralement constituées de particules d'électrolyte solide de plusieurs centaines de microns d'épaisseur, recouvertes d'un côté des électrodes. Ces petites cellules solides ne sont pas représentatives des performances requises pour les grandes cellules (10 à 100 Ah), car une capacité de 10 ~ 100 Ah est la spécification minimale requise pour les batteries de puissance actuelles.
• L'électrolyte solide remplace également le rôle du diaphragme. Comme son poids et son épaisseur sont nettement supérieurs à ceux du diaphragme PP/PE, il doit être ajusté pour atteindre la densité de poids.≥350Wh/kget densité énergétique≥900Wh/L pour ne pas entraver sa commercialisation.

La batterie représente toujours un risque pour la sécurité dans une certaine mesure. Les électrolytes solides, bien qu’ils soient plus sûrs que les liquides, ne sont pas nécessairement ininflammables. Certains polymères et électrolytes inorganiques peuvent réagir avec l'oxygène ou l'eau, produisant de la chaleur et des gaz toxiques qui présentent également un risque d'incendie et d'explosion. Outre les cellules individuelles, les plastiques, les boîtiers et les matériaux d'emballage peuvent provoquer une combustion incontrôlable. En fin de compte, un test de sécurité global au niveau du système est donc nécessaire.