Une anode de lithium blindée au LiF permet des batteries ultra-stables et ignifuges

Une nouvelle étude publiée dans Carbon Energy le 23 septembre 2025 présente une stratégie finement ajustée qui stabilise les anodes de lithium métal en construisant une interface solide électrolyte artificielle (SEI) riche en LiF, contrant les effets corrosifs des additifs ignifuges tout en maintenant une stabilité de cyclage exceptionnelle. La recherche, menée par des équipes de l'Université des sciences et technologies du Hebei, de la City University de Hong Kong et de l'Université de Hainan, aborde un défi critique dans le développement des batteries : comment atteindre à la fois la sécurité incendie et les performances à long terme dans les batteries au lithium métal à haute densité énergétique.

Les batteries au lithium métal offrent une capacité théorique exceptionnelle mais font face à des défis pratiques incluant la croissance de dendrites, une chimie interfaciale instable et l'inflammabilité des électrolytes conventionnels. Bien que les électrolytes polymères gélifiés améliorent la sécurité, ils nécessitent généralement de grandes quantités d'ignifuges comme le phosphate de triphényle (TPP), qui améliorent la résistance au feu mais ont tendance à pénétrer la SEI et à déclencher des réactions de décomposition qui corrodent sévèrement le lithium. Cette corrosion réduit considérablement la durée de vie des batteries, créant un besoin pressant de conceptions d'interface et d'électrolyte assurant à la fois l'ignifugation et la stabilité à long terme de l'anode.

Les chercheurs ont développé un électrolyte polymère gélifié ignifuge à haute charge en TPP en utilisant une technique d'électrofilage coaxial, créant une conception à double confinement avec un noyau composite TPP/PVDF-HFP enfermé dans une enveloppe PAN/PVDF-HFP. Cette structure, détaillée dans l'étude publiée à https://doi.org/10.1002/cey2.70077, maintient une haute ignifugation tout en limitant les réactions secondaires corrosives grâce à de fortes interactions chimiques et un confinement physique. Pour renforcer davantage l'interface de l'anode, l'équipe a immergé le lithium métal dans un électrolyte contenant 5 % de FEC, produisant une couche SEI uniforme et dense riche en LiF qui bloque la pénétration du TPP et réduit substantiellement la corrosion de l'anode.

Les tests électrochimiques ont validé l'efficacité de 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 les 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. Le scientifique correspondant principal a noté qu'une ingénierie d'interface précise est essentielle pour faire progresser à la fois la sécurité et la durabilité, affirmant que l'intégration d'un électrolyte ignifuge à double confinement avec une SEI artificielle riche en LiF résout le conflit de longue date entre la protection incendie et la stabilité de l'anode.

Cette stratégie combinée SEI-électrolyte représente une direction prometteuse pour développer des batteries au lithium métal hautes performances, intrinsèquement plus sûres, adaptées aux véhicules électriques, au stockage au niveau du réseau, aux systèmes aérospatiaux et aux cellules souples de nouvelle génération. Le principe de conception sous-jacent - fusionner le confinement chimique, l'encapsulation structurelle et l'ingénierie délibérée de la SEI - peut potentiellement être appliqué à d'autres anodes réactives et cathodes à haute tension. Alors que la demande mondiale pour des 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 qui étaient auparavant limitées par des compromis sécurité-performance.