La première batterie lithium-ion à base d'hydrures métalliques

23 août 2017

Résultats scientifiques Matériaux Energie

Pour remplacer les électrolytes organiques liquides potentiellement inflammables des batteries Li-ion, les chercheurs de Saft, filiale de Total, et ceux de l’Institut de chimie et des matériaux Paris Est (CNRS/Université Paris-Est Créteil) ont mis au point une batterie à électrolyte solide à partir d’un borohydrure conducteur ionique et d’une anode nanocomposite à base d’hydrures métalliques de magnésium et de titane. Cette batterie présente une capacité de stockage élevée et réversible, et conserve 85% de sa valeur initiale pendant les 25 premiers cycles de charge/décharge. Ces résultats sont publiés dans Journal of Power Sources.

Dans les batteries Li-ion actuellement sur le marché, les électrolytes liquides organiques à base d’alkylcarbonates et de sels de lithium sont inflammables et instables électrochimiquement sur l’électrode négative. Si la conception de l’accumulateur et de la batterie n’est pas bien adaptée à l’utilisation, dans des conditions abusives d’utilisation, des phénomènes d’emballement thermique peuvent apparaître conduisant à des problèmes de sécurité.

Le remplacement de l’électrolyte liquide par un électrolyte solide devrait permettre de réduire très fortement la problématique d’emballement thermique. En effet, l’utilisation d’un électrolyte solide réduit considérablement les réactions exothermiques entre les matériaux d’électrodes et l’électrolyte, ce qui permet d’envisager l’utilisation de nouveaux matériaux plus énergétiques.

Au-delà de l’utilisation du lithium métallique comme électrode négative, dont la capacité massique de stockage est 10 fois plus élevée que celle du graphite mais qui pose des problématiques de courts circuits lors des cycles de charge/décharge, les hydrures métalliques MgH₂ et TiH₂ ont été récemment proposés comme matériaux d'électrode négative en raison de leurs fortes capacités théoriques de stockage. Sans atteindre la capacité spécifique du lithium métallique, ils permettent de quintupler la capacité tout en s’affranchissant des problèmes de dendrite. Parallèlement, l’hydrure inorganique LiBH₄ peut être utilisé en remplacement des électrolytes liquides organiques.

Dans ce contexte, les chercheurs de Saft et de l’Institut de chimie et des matériaux Paris Est ont développé une batterie à base d’hydrures permettant de pallier les problèmes d’inflammabilité des électrolytes organiques liquides tout en augmentant significativement la capacité de l’anode. Ces hydrures ont été couplés avec le système redox soufre/sulfure de lithium (S/Li₂S) à la cathode qui présente une capacité comparable à celle de l’anode à hydrure métallique. Ce matériau de cathode possède une bonne compatibilité avec l’électrolyte solide LiBH₄ pour lequel la conductivité ionique est élevée aux alentours de 120°C tout en étant sous forme solide.

Ainsi, une batterie faite d’un nanocomposite d'hydrures métalliques (80%MgH₂+20%TiH₂) comme matériau d’anode, d’un composite à base de Li₂S comme cathode et de l’hydrure LiBH4 comme électrolyte solide a été mise au point pour la première fois. Elle présente des performances très prometteuses par rapport aux batteries actuelles en termes de capacité de stockage tout en permettant de s’affranchir des problèmes d’emballement thermique liés à l’utilisation d’électrolytes organiques ou de lithium métallique formant des dendrites.

La compatibilité avec d'autres électrolytes fonctionnant à des températures proches de l’ambiante et avec d'autres matériaux composites sont en cours d’études afin d'améliorer encore les performances globales de ce type de batterie à base d’hydrures solides.

Profils de charge et de décharge à différents régimes (C/50, C/20 et C/10 ; sur 5 cycles) de la batterie à base d'hydrures et représentation schématique de la réaction redox de décharge.