KNOXVILLE, TN, 16 décembre 2025 /24-7PressRelease/ -- Les batteries au lithium métal promettent une densité énergétique exceptionnelle, mais leurs performances s'effondrent souvent lorsque de fortes quantités d'additifs ignifuges sont introduites pour des raisons de sécurité. La nouvelle étude propose une stratégie finement ajustée qui stabilise l'anode de lithium métal en construisant une interface solide électrolyte (SEI) artificielle riche en LiF. Cette couche protectrice contrecarre les effets corrosifs causés par le phosphate de triphényle (TPP) dans les électrolytes polymères gel ignifuges. En associant une conception d'électrolyte à double confinement à un bouclier LiF préconçu, le système maintient un cyclage stable dans des conditions à la fois douces et exigeantes. Les résultats indiquent une voie pratique pour créer des batteries au lithium métal durables et intrinsèquement résistantes au feu.

Le lithium métal se distingue comme matériau d'anode en raison de sa capacité théorique exceptionnellement élevée, mais son utilisation réelle est entravée par la croissance de dendrites, une chimie interfaciale instable et l'inflammabilité des électrolytes conventionnels. Les électrolytes polymères gel répondent à certaines préoccupations de sécurité, mais reposent encore sur de grandes quantités d'ignifugeants. Les phosphates organiques comme le phosphate de triphényle (TPP) améliorent la résistance au feu, mais ont tendance à pénétrer la SEI, déclenchant des réactions de décomposition qui corrodent sévèrement le lithium. À fortes concentrations, ces additifs augmentent la sécurité au prix d'une durée de vie de la batterie considérablement raccourcie. Face à ces défis, il est urgent de développer des conceptions d'interface et d'électrolyte qui garantissent à la fois l'ignifugation et la stabilité à long terme de l'anode.

Des chercheurs de l'Université des sciences et technologies du Hebei, de la City University de Hong Kong et de l'Université de Hainan ont rapporté une avancée significative dans l'ingénierie de l'interface électrolyte-anode dans une étude publiée (DOI : 10.1002/cey2.70077) le 23 septembre 2025 dans Carbon Energy. L'équipe a conçu un électrolyte polymère gel ignifuge à forte charge en TPP et l'a associé à une interface solide électrolyte (SEI) préformée riche en LiF sur le lithium métal. Cette stratégie combinée supprime la corrosion, accélère le transport des Li⁺ et permet un cyclage stable même lorsque les batteries sont poussées à de fortes densités de courant.

L'équipe a commencé par développer un électrolyte polymère gel contenant 70 % en poids de TPP en utilisant une technique d'électrofilage coaxial. Cette structure présente un noyau composite TPP/Poly(fluorure de vinylidène-co-hexafluoropropylène) (TPP/PVDF-HFP) enfermé dans une enveloppe PAN/PVDF-HFP, formant une conception à double confinement. De fortes interactions chimiques entre le PVDF-HFP et le TPP limitent les fuites moléculaires, tandis que l'enveloppe polymère environnante assure un confinement physique. Ensemble, ces mécanismes maintiennent une forte ignifugation tout en limitant les réactions secondaires corrosives typiquement déclenchées par le TPP.

Pour renforcer davantage l'interface de l'anode, les chercheurs ont immergé le lithium métal dans un électrolyte contenant 5 % de FEC, produisant une couche SEI uniforme et dense riche en LiF. Des analyses multimodales—incluant la spectroscopie UV–vis, la TOF-SIMS, la XPS et la AFM—ont montré que la SEI conçue bloque la pénétration des espèces dérivées du TPP et réduit considérablement la profondeur de la corrosion de l'anode. Au-delà de la protection, la couche de LiF améliore la mobilité des ions lithium, abaisse l'énergie d'activation pour le transport interfacial et favorise un dépôt lisse et sans dendrites.

Les tests électrochimiques ont validé la conception : les cellules Li||Li ont fonctionné de manière stable pendant 2400 heures à 0,5 mA cm⁻² et 1500 heures à 5 mA cm⁻². Dans des configurations de cellules complètes, les cellules LFP||Li ont conservé 98,9 % de leur capacité après 1500 cycles à 1 C et ont préservé 81,7 % de capacité après 6000 cycles à 10 C—démontrant une endurance exceptionnelle dans des conditions de charge rapide.

"L'étude montre de manière convaincante qu'une ingénierie d'interface précise est essentielle pour faire progresser à la fois la sécurité et la durabilité des batteries au lithium métal," a déclaré le scientifique correspondant principal. "En intégrant un électrolyte ignifuge à double confinement avec une SEI artificielle riche en LiF, nous avons résolu le conflit de longue date entre la protection contre l'incendie et la stabilité de l'anode. Cette approche arrête non seulement la corrosion sévère causée par les additifs à base de phosphate, mais améliore également le transport des ions lithium, permettant un fonctionnement fiable sous des taux élevés et des conditions de cyclage prolongées."

Cette stratégie combinée SEI–électrolyte représente une direction prometteuse pour développer des batteries au lithium métal hautes performances et intrinsèquement plus sûres. Sa capacité à soutenir des milliers de cycles à de fortes densités de courant la positionne bien pour les véhicules électriques, le stockage au niveau du réseau, les systèmes aérospatiaux et les prochaines cellules souples en pochette. Plus largement, le principe de conception sous-jacent—combinant le confinement chimique, l'encapsulation structurelle et l'ingénierie délibérée de la SEI—peut être appliqué à d'autres anodes réactives et cathodes à haute tension. Alors que la demande mondiale de batteries à haute énergie s'intensifie parallèlement à des exigences de sécurité strictes, cette approche pourrait accélérer l'adoption pratique des technologies au lithium métal.

Références
DOI
10.1002/cey2.70077

URL de la source originale
https://doi.org/10.1002/cey2.70077

Informations sur le financement
La Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (52404316, 52474325) ; Le programme S&T de la province du Hebei (225A4404D) ; La Fondation des sciences naturelles de la province de Hainan (524RC475) ; Le Centre d'innovation collaborative des sciences et technologies marines de l'Université de Hainan (XTCX2022HYC14) ; La Fondation des sciences naturelles de la ville de Xingtai (2023ZZ027).

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Carbon Energy

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