Batteries au fluorure : jusqu'à 8 fois plus d'autonomie que les standards actuels

• Imaginez charger votre ordinateur portable et votre téléphone seulement deux fois par mois.
• Les batteries basées sur l'ion fluorure chargé négativement peuvent rendre cela possible.
• Pour la première fois, des chercheurs ont créé une batterie rechargeable au 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 augmente continuellement. La densité d'énergie dépend du nombre d'électrons transmis dans une réaction, de la différence de potentiel entre anode et cathode, du volume de la cellule et de 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 basées sur le fluorure – un ion chargé négativement de fluor.

La technologie a le potentiel d'éliminer le besoin de charger votre ordinateur portable ou téléphone tous les jours. En fait, elle pourrait réduire cette exigence à seulement deux fois par mois. Comme la densité d'énergie dans les batteries au fluorure est relativement plus élevée que les batteries lithium-ion, elle pourrait durer jusqu'à 8 fois plus longtemps. Cependant, elles sont extrêmement réactives, corrosives et difficiles à manipuler.

Batteries au fluorure rechargeables

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

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

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

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

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

Atomes de charge voyageant entre anode et cathode avec l'aide d'une solution électrolyte liquide | Crédit : Brett Savoie/Purdue University

Pour faire durer les batteries plus longtemps, 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 voyagent 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 multivalentes du fluorure 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 pour les 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 liquide électrolyte nommé bis(2,2,2-trifluoroéthyl)éther, (BTFE pour faire court). Il maintend l'ion fluorure stable pour qu'il puisse déplacer facilement les électrons d'avant en arrière dans la batterie.

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

Mais pourquoi cette solution a fonctionné ; quelle caractéristique du BTFE stabilisait le fluorure ? Pour trouver la réponse, les chercheurs ont fait appel à des simulations informatiques. Ils ont modifié la solution BTFE et ont découvert qu'on peut améliorer sa stabilité et sa performance en la modifiant avec des additifs.

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