Développement d'un électrolyte ininflammable pour empêcher l'emballement thermique du lithium

L'adaptation de la structure moléculaire des carbonates organiques dans les électrolytes commerciaux réduit le risque d'incendie des batteries. Les électrolytes non fluorés et ininflammables constituent une voie viable pour obtenir des batteries hautes performances thermiquement stables.

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Le président de l'Institut coréen des sciences et technologies (KIST), Seok-Jin Yoon, a annoncé qu'une équipe de recherche collaborative dirigée par le Dr Minah Lee du Centre de recherche sur le stockage d'énergie et le professeur Dong-Hwa Seo de l'Institut avancé coréen des sciences et technologies (KAIST) ), et les Drs. Yong-Jin Kim et Jayeon Baek de l'Institut coréen de technologie industrielle (KITECH) ont développé un électrolyte ininflammable qui ne prend pas feu à température ambiante en adaptant la structure moléculaire du carbonate organique linéaire pour empêcher l'incendie et l'emballement thermique dans les batteries lithium-ion. .

Crédit : Institut coréen des sciences et technologies

À mesure que l’utilisation de batteries lithium-ion à moyenne et grande échelle dans les véhicules électriques et les systèmes de stockage d’énergie (ESS) se développe, les inquiétudes concernant les incendies et les explosions augmentent. Les incendies dans les batteries se produisent lorsque les batteries sont court-circuitées en raison d'impacts externes, d'abus ou de vieillissement, et le phénomène d'emballement thermique accompagné d'une série de réactions exothermiques rend difficile l'extinction de l'incendie et présente un risque élevé de blessures corporelles. En particulier, le carbonate organique linéaire utilisé dans les électrolytes commerciaux pour batteries lithium-ion a un faible point d’éclair et s’enflamme facilement même à température ambiante, ce qui constitue une cause directe d’inflammation.

Jusqu'à présent, afin de réduire l'inflammabilité de l'électrolyte, la fluoration intensive des molécules de solvant ou des sels hautement concentrés a été largement adoptée. En conséquence, le transport des ions lithium dans l’électrolyte était réduit ou ceux-ci étaient incompatibles avec les électrodes commerciales, limitant leur commercialisation.

(À gauche) Électrolyte d'une batterie lithium-ion commerciale (DEC) et un nouvel électrolyte (BMEC) développé par une équipe de recherche conjointe du KIST, KITECH et KAIST (à droite).

En appliquant simultanément une extension de chaîne alkyle et une substitution alcoxy à la molécule de carbonate de diéthyle(DEC), un carbonate organique linéaire typique utilisé dans les électrolytes commerciaux des batteries lithium-ion, les chercheurs ont développé un nouvel électrolyte, le carbonate de bis(2-méthoxyéthyle)(BMEC), avec un point d'éclair et une conductivité ionique améliorés en augmentant les interactions intermoléculaires et la capacité de solvatation. La solution BMEC a un point d'éclair de 121°C, soit 90°C de plus que celui de la solution DEC conventionnelle, et n'est donc pas inflammable dans la plage de température nécessaire au fonctionnement sur batterie conventionnelle. Le BMEC peut dissocier le sel de lithium plus fortement que son simple homologue alkylé, le carbonate de dibutyle (DBC), résolvant ainsi le problème du transport plus lent des ions lithium lors de la réduction de l'inflammabilité en augmentant l'interaction intermoléculaire. En conséquence, il conserve plus de 92 % de la capacité de débit d'origine de l'électrolyte conventionnel tout en réduisant considérablement les risques d'incendie.

De plus, le nouvel électrolyte a réduit de 37 % le dégagement de gaz combustible et de 62 % la génération de chaleur par rapport à l'électrolyte conventionnel. L'équipe de recherche a démontré le fonctionnement stable des batteries lithium-ion de 1 Ah sur 500 cycles en combinant le nouvel électrolyte avec une cathode à haute teneur en nickel et une anode en graphite. Ils ont également effectué un test de pénétration des clous sur une batterie Li-ion de 4 Ah chargée à 70 % et ont confirmé l’emballement thermique supprimé.

Le Dr Minah Lee du KIST a déclaré : « Les résultats de cette recherche ouvrent une nouvelle direction pour la conception d'électrolytes ininflammables, dont les propriétés électrochimiques ou la faisabilité économique ont été inévitablement sacrifiées. » « L'électrolyte ininflammable développé présente un coût compétitif et une excellente compatibilité avec les matériaux d'électrodes à haute densité énergétique. Il devrait donc être appliqué à l'infrastructure de fabrication de batteries conventionnelle. À terme, cela accélérera l’émergence de batteries hautes performances présentant une excellente stabilité thermique.