Comment le matériau de l'électrode de la batterie affecte ses performances et sa durée de vie

Dialogue du 15 août 2023

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par Dmitrii A. Rakov, Tech Xplore

Les batteries sont des appareils qui stockent et libèrent de l'énergie en déplaçant des particules chargées appelées ions entre deux matériaux appelés électrodes. Les électrodes sont séparées par un liquide ou un gel appelé électrolyte, qui contient des ions et d'autres molécules. Lorsqu’une batterie est utilisée, une fine couche de molécules se forme à la surface de chaque électrode, appelée interphase électrolyte solide (SEI).

Les batteries lithium-ion (LIB) et les batteries sodium-ion (SIB) souffrent d'une réversibilité déficiente des processus redox à l'interface électrode/électrolyte, qui est associée à la formation de SEI mécaniquement instables et réactifs. Les SEI riches en inorganiques stables peuvent isoler le transfert d'électrons, permettant uniquement à certains ions de diffuser à travers, favorisant ainsi un cyclage réversible au-delà de la limite électrochimique de l'électrolyte.

Alors que les cellules électrochimiques utilisant des électrolytes de sels fondus inorganiques à des températures élevées (> 100 °C) présentent des performances de cyclage stables, les applications quotidiennes reposent sur des électrolytes de batterie comprenant à la fois des sels métalliques et des solvants organiques. Ce mélange déclenche des réactions compétitives à l'interface chargée, provoquant une consommation continue d'électrolyte et un dépôt inégal de métal, c'est-à-dire la formation de dendrites dans le cas des électrodes métalliques, entraînant une défaillance de la batterie et parfois des problèmes de sécurité.

L'un des moyens les plus évolutifs d'optimiser la chimie et la morphologie du SEI pour le transport de charge réversible est la co-sélection de la chimie de l'électrolyte et du protocole de formation (c'est-à-dire les conditions de cyclage initiales, avec des conditions de courant/tension spécifiques). Simultanément, l'importance du matériau de l'électrode dans cette progression a été considérablement sous-estimée, malgré son influence inhérente sur les phases préliminaires de la formation du SEI.

Pour combler ce manque d'informations, des chercheurs des universités Deakin et Monash (Melbourne, Australie) ont examiné les effets des propriétés physicochimiques de l'électrode sur le mécanisme de formation du SEI avec des liquides ioniques et des électrolytes de sodium à base de carbonate. Les travaux sont publiés dans la revue Energy & Environmental Science.

En utilisant une combinaison d'outils expérimentaux et théoriques, nous avons démontré que la structure de l'interface électrolyte-électrode et les propriétés de l'interphase solide-électrolyte sont substantiellement affectées par la polarisabilité de l'électrode (sa nature diélectrique), et nous avons expliqué ces phénomènes dans le contexte de la capacité des électrodes chargées à adsorber les espèces électrolytiques (voir figure ci-dessus).