Les batteries à base de fluorure peuvent durer 8 fois plus longtemps que celles utilisées aujourd'hui

• Imaginez que vous ne rechargez votre ordinateur portable et votre téléphone que deux fois par mois.
• Les batteries à base d'ions fluorés à charge négative peuvent rendre cela possible.
• Pour la première fois, des chercheurs ont conçu une batterie rechargeable à base de fluorure qui fonctionne correctement à température ambiante.

La recherche de batteries offrant une densité d'énergie élevée nécessaire pour répondre aux exigences des appareils modernes est en constante augmentation. La densité d'énergie dépend du nombre d'électrons transmis dans une réaction, de la différence de potentiel entre l'anode et la cathode, le volume de la cellule et la constante de Faraday.

En gardant tous ces facteurs à l'esprit, des chercheurs du California Institute of Technology ont développé une nouvelle méthode de fabrication de batteries rechargeables à base de fluorure, un ion de fluor chargé négativement.

La technologie a le potentiel d'éliminer le besoin de recharger votre ordinateur portable ou votre téléphone tous les jours. En fait, cela pourrait réduire cette exigence à seulement deux fois par mois. Étant donné que la densité énergétique des batteries au fluorure est relativement plus élevée que celle des batteries lithium-ion, elle pourrait servir jusqu'à 8 fois plus longtemps. Cependant, ils sont extrêmement réactifs, corrosifs et difficiles à travailler.

Batteries au fluorure pouvant être recherchées

Ce n'est pas la première fois que quelqu'un expérimente avec des piles au fluorure. Dans les années 1970, des scientifiques ont tenté de développer des batteries rechargeables à base de fluorure en utilisant des modules solides. Mais comme les batteries à semi-conducteurs nécessitent des températures élevées pour fonctionner correctement, elles ne peuvent pas être utilisées à des fins quotidiennes.

Maintenant, les chercheurs ont trouvé un moyen de faire fonctionner ces batteries à température ambiante, en utilisant des modules liquides. Ils ont réussi à fabriquer la première batterie rechargeable à base de fluorure qui fonctionne correctement à température ambiante.

La batterie fournit des courants électriques en faisant dériver des ions entre l'électrode de cathode (positive) et d'anode (négative). Dans une solution liquide (utilisée dans les batteries au lithium), les ions dérivent plus facilement à température ambiante.

Référence :ScienceMag | doi:10.1126/science.aat7070 | Caltech

Alors que les batteries au lithium utilisent des ions positifs (cations), la batterie au fluorure développée dans cette étude porte une charge négative (anions). Il y a plusieurs avantages à utiliser des anions dans les batteries, mais ils ont leurs propres défis.

Chargez les atomes se déplaçant entre l'anode et la cathode à l'aide d'une solution d'électrolyte liquide | Crédit : Brett Savoie/Université Purdue

Pour prolonger la durée de vie des batteries, il faut déplacer un grand nombre d'ions. Déplacer des ions chargés positivement (cations) est assez difficile, mais un résultat similaire peut être obtenu en déplaçant des ions négatifs (anions), qui se déplacent avec une relative facilité. Le principal défi avec ce mécanisme est de faire fonctionner le système à une tension adéquate.

Résultats

Dans cette étude, les chercheurs ont montré que les réactions de conversion du fluorure multivalent ont des potentiels de réaction thermodynamiques élevés (supérieurs à 3 volts) et des capacités volumétriques (supérieures à 1000 Ah/litre). Par conséquent, les batteries au fluorure fournissent des densités d'énergie théoriques jusqu'à 5000 Wh/litre, au moins 8 fois les valeurs théoriques des technologies lithium-ion existantes.

Le composant clé qui a permis aux batteries au fluorure de fonctionner correctement dans un liquide (au lieu d'un solide) est un électrolyte liquide nommé éther bis(2,2,2-trifluoroéthylique) (BTFE en abrégé). Il maintient l'ion fluorure stable afin qu'il puisse facilement déplacer les électrons d'avant en arrière dans la batterie.

Ion fluorure (rose) entouré de molécules de BTFE | Crédit :  Brett Savoie / Université Purdue

Mais pourquoi cette solution a fonctionné ; quelle caractéristique du BTFE stabilisait le fluorure ? Pour trouver la réponse, les chercheurs se sont appuyés sur des simulations informatiques. Ils ont modifié la solution BTFE et découvert que l'on peut améliorer sa stabilité et ses performances en la modifiant avec des additifs.

Lire :Les batteries magnésium-ion sont plus efficaces et plus sûres que le lithium

Les résultats montrent que les chercheurs ont débloqué une technique intéressante pour développer des batteries plus durables. Il ne sera pas faux de dire que les piles au fluor font un retour en force.