Une étude révèle que le fluor peut remplacer le lithium dans les batteries rechargeables


Une étude révèle que le fluor peut remplacer le lithium dans les batteries rechargeables

Ici, les électrides en couches telles que Ca2N et Y2C, dont l’électron occupe un site de réseau, devraient être des hôtes prometteurs pour l’intercalation du fluorure, car leurs électrons anioniques créent de grandes lacunes et leur structure en couche ouverte permet une diffusivité rapide. Crédit photo: Singamaneni Lab

Avec l’utilisation croissante de pour alimenter les technologies modernes, en particulier les véhicules électriques, les chercheurs ont recherché des matériaux alternatifs pour les ions lithium dans les batteries rechargeables.

Les batteries modernes utilisent du lithium et du cobalt, mais leur disponibilité est très limitée.

Les scientifiques des matériaux de la McKelvey School of Engineering de l’Université de Washington à Saint-Louis ont trouvé une alternative possible au lithium dans le , un élément relativement abondant et léger. Votre recherche a été imprimée le 7 décembre Journal de chimie des matériaux.

Fait intéressant, l’ion fluorure est le miroir opposé à l’ion lithium et a la plus forte attraction pour les électrons, ce qui lui permet d’effectuer facilement des réactions électrochimiques. Des chercheurs japonais testent également des batteries au fluorure-ion comme remplacement possible des batteries lithium-ion dans les véhicules. Ils disent que ces batteries pourraient permettre aux véhicules électriques de parcourir 1000 kilomètres avec une seule charge. Cependant, les batteries aux ions fluorures actuelles ont une faible cyclabilité, c’est-à-dire qu’elles ont tendance à se détériorer rapidement avec les cycles de charge / décharge.

Les chercheurs Steven Hartman et Rohan Mishra ont adopté une nouvelle approche pour la conception des batteries aux ions fluorure et ont identifié deux matériaux qui gagnent ou perdent facilement des ions fluorure tout en subissant de petits changements structurels pour permettre une bonne cyclabilité. Mishra, professeur adjoint de génie mécanique et de science des matériaux, a déclaré que les nouveaux matériaux de batterie sont tous deux des électrides en couches.

Les électrides sont une classe relativement nouvelle de matériaux qui sont connus en principe depuis environ 50 ans, mais ce n’est qu’au cours des 10 à 15 dernières années que leurs propriétés ont été mieux comprises, a déclaré Mishra. Alors que ces matériaux conduisent les électrons comme les métaux ordinaires, contrairement à la «mer d’électrons» dans les métaux, dans laquelle les électrons sont délocalisés dans tout le cristal, les électrons dans les électrides sont situés à certaines positions interstitielles dans la structure cristalline, semblable à un ion.

«Nous prévoyons que ces électrons interstitiels peuvent être facilement remplacés par des ions fluorure sans déformations significatives de la structure cristalline, ce qui permet la cyclabilité», a déclaré Mishra. « Les ions fluorure peuvent également se déplacer ou se diffuser assez facilement en raison de la structure relativement ouverte des électrides en couches. »

Hartman, diplômé de l’Institut des sciences et de l’ingénierie des matériaux qui a fait son doctorat dans le laboratoire de Mishra avant d’accepter une bourse postdoctorale au Los Alamos National Laboratory, a utilisé des calculs de mécanique quantique pour tester des dizaines de candidats potentiels à la batterie.

Les tests assistés par ordinateur ont introduit du fluorure dans les espaces entre la couche d’électrures de nitrure de dicalcium et d’hypocarbure d’yttrium. La capacité de stockage d’énergie était proche de celle des batteries lithium-ion. Dans le cas du nitrure de dicalcium, il est constitué d’éléments relativement communs et aider à surmonter le goulot d’étranglement d’approvisionnement des éléments actuellement utilisés dans les batteries lithium-ion.

Hartman a comparé l’étude de la batterie avec certains des autres travaux du groupe Mishra qui ont passé au crible des milliers de candidats en utilisant des techniques d’apprentissage automatique «big data».

« Cela a nécessité plus d’intuition et d’essais et d’erreurs que les autres études que nous avons effectuées », a déclaré Hartman. « En principe, vous pouvez ajouter beaucoup d’ions fluorure aux électrodes conventionnelles pour stocker beaucoup de charge. Dans la pratique, cependant, ces capacités théoriques sont difficiles à gérer. Lorsque nous ajoutons du fluorure aux électrodes conventionnelles, elles gonflent et réduisent considérablement la charge et la décharge, et que peut provoquer des fissures et une perte de contact électrique. « 

Il est important de minimiser ce changement de volume et de forme pour fabriquer une batterie au fluorure durable.

« Nous pensons que l’ajout et la suppression des ions fluorure dans ces matériaux d’électride en couches entraîneront beaucoup moins de changements structurels et contribueront ainsi à une durée de vie plus longue », a déclaré Hartman.

Le laboratoire de Mishra vise à collaborer avec des chercheurs capables de synthétiser les électrides prometteuses identifiées dans cette étude et de les tester dans des batteries prototypes.

La McKelvey School of Engineering se compose d’un groupe de professeurs interdisciplinaires qui mènent des recherches sur les batteries. Des recherches récentes de Peng Bai, professeur adjoint de génie énergétique, environnemental et chimique, ont montré la capacité d’approcher le seuil de densité de courant de la batterie et de prédire avec précision le temps de court-circuit pour une densité de courant donnée.

Jason He, professeur de génie énergétique, environnemental et chimique, a récemment mené une étude de faisabilité de « recharger » électrochimiquement des batteries lithium-ion dans les électrodes usées pour régénérer des composés utiles tels que l’oxyde de lithium et de cobalt.


Les matériaux des batteries lithium-ion peuvent être recyclés pour être réutilisés


Plus d’information:
Steven T. Hartman et coll. Électroïdes en couches comme anodes d’intercalation de fluorure, Journal de chimie des matériaux A. (2020). DOI: 10.1039 / D0TA06162J

Fourni par l’Université de Washington à Saint-Louis

Citation: Une étude montre que le fluor est un substitut possible au lithium dans les batteries rechargeables (2020, 9 décembre), consulté le 13 décembre 2020 sur https://phys.org/news/2020-12-fluor-substitute-lithium-rechargeable-batteries .html

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