Batterie à ions fluorure - un concurrent potentiel pour la prochaine génération de batteries
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Le développement de la Batterie ionique au fluorure fait l'objet d'une attention croissante en tant que candidat potentiel pour les batteries de la prochaine génération. Des institutions telles que Toyota et Honda au Japon, l'Institut de recherche Helmholtz-Ulm en Allemagne, le Jet Propulsion Laboratory de la NASA et certaines universités en Chine ont lancé des recherches dans ce domaine.
La recherche et le développement de la batterie à ions fluorure en sont encore à un stade extrêmement précoce, et de nombreux problèmes doivent encore être surmontés avant de passer à l'application. Cependant, la batterie à ions fluorure a un grand potentiel et pourrait remplacer la batterie lithium-ion comme batterie principale à l'avenir, en particulier la batterie à ions fluorure à l'état solide à température ambiante, qui pourrait remplacer la batterie lithium-ion à l'avenir. l'industrie des piles au lithium une fois que la technologie sera au point.
Quatre avantages de la batterie à ions fluor
Parmi les nombreuses orientations des batteries de la prochaine génération, la batterie à ions fluorure a attiré beaucoup d'attention en raison d'une série de percées dans la recherche au cours des dernières années. Son principe de fonctionnement est similaire à celui de la batterie lithium-ion, largement utilisée de nos jours, c'est-à-dire que l'ion fluorure est utilisé pour stocker de l'énergie en faisant la navette entre les électrodes positives et négatives. Les experts estiment que la batterie à ions fluor présente des avantages significatifs par rapport à la batterie lithium-ion sur quatre aspects : la densité énergétique, la sécurité, l'approvisionnement en matières premières et le coût.
La recherche d'une densité énergétique plus élevée est un objectif important dans la recherche et le développement des batteries rechargeables, car elle signifie une plus grande capacité de stockage d'énergie. Des informations montrent que la densité énergétique théorique d'une batterie au fluorure d'ions à l'état solide peut être proche de 5 000 wattheures par litre, soit huit fois la limite théorique d'une batterie lithium-ion.
Le professeur de l'université des sciences et technologies de Chine a expliqué que la batterie ionique au fluorure utilise du fluorure de cuivre, du fluorure de calcium et d'autres composés comme matériaux d'électrode, et que sa masse spécifique de matériau actif d'électrode peut fournir une quantité de charge plusieurs fois supérieure à celle d'une batterie ionique au lithium, de sorte que la densité énergétique est bien plus élevée que celle d'une batterie ionique au lithium.
En termes de sécurité, la croissance des dendrites de lithium est l'une des principales raisons affectant la sécurité des batteries lithium-ion, alors que les ions fluor sont extrêmement difficiles à oxyder en monomères de fluor, ce qui permet d'éviter des problèmes similaires à ceux de la croissance des dendrites de lithium. En termes de matières premières, l'abondance du fluor dans la croûte terrestre est beaucoup plus élevée que celle du lithium, et la production annuelle mondiale actuelle de fluor est environ deux ordres de grandeur plus élevée que celle du lithium. En outre, l'extraction du lithium nécessite de grandes quantités d'eau, alors que l'impact environnemental de l'extraction du fluor est beaucoup plus faible.
En termes de coût, les informations montrent que la matière première, le cobalt, couramment utilisée dans les piles au lithium, est chère, tandis que les piles au fluorure d'ions, en plus de l'argent, d'autres anodes et d'autres matériaux, peuvent être utilisés pour la fabrication des piles au lithium. matériaux de cathode coût inférieur, théoriquement le coût par wattheure d'une batterie au fluorure n'est que de 20% à 25% par rapport à une batterie au lithium-ion.
Trois voies pour le développement des batteries à ions fluorure
Dès les années 1970, les scientifiques ont commencé à étudier les batteries à ions fluorure, mais aucun progrès substantiel n'a été réalisé. En 2011, des scientifiques allemands ont pris l'initiative de développer une batterie ionique au fluorure entièrement solide en utilisant du fluorure de baryum et de lanthane comme électrolyte ; la recherche et le développement des batteries ioniques au fluorure n'ont fait que gagner en attention.
À l'heure actuelle, les principales voies techniques de développement des batteries au fluorure comprennent les batteries au fluorure liquide à température ambiante, les batteries au fluorure entièrement solide à haute température et les batteries au fluorure entièrement solide à température ambiante. Parmi elles, la batterie d'ions fluorure liquide à température ambiante utilise une solution organique inflammable et contenant du fluor comme électrolyte, ce qui présente des risques pour la sécurité et l'environnement, tandis que la batterie d'ions fluorure solide à haute température doit fonctionner à haute température et ne peut être utilisée que pour le stockage de l'énergie ou d'autres scénarios spécifiques.
La batterie au fluorure à l'état solide à température ambiante est considérée comme la voie la plus intéressante parmi les trois voies technologiques. En théorie, les batteries au fluorure à l'état solide à température ambiante peuvent être utilisées dans tous les scénarios d'application des batteries lithium-ion actuelles et sont susceptibles de remplacer complètement les batteries lithium-ion une fois que la technologie aura atteint sa maturité.
Le Japon attache une grande importance à la R&D sur les batteries à ions fluorure et a réalisé une série de progrès importants ces dernières années.En décembre 2018, Honda Research Institute of Japan, NASA Jet Propulsion Laboratory, Caltech et d'autres institutions ont collaboré pour publier un article dans la revue américaine Science, affirmant que l'équipe a préparé pour la première fois une batterie à ions fluorure avec un électrolyte liquide qui peut être chargé et déchargé de manière réversible à la température ambiante. batterie à ions à la température ambiante.
En 2020, l'université de Kyoto et Toyota ont annoncé le succès d'un prototype de batterie au fluorure ionique à l'état solide, et les médias japonais ont rapporté à l'époque que la batterie au fluorure ionique pouvait offrir une plus grande autonomie qu'une batterie lithium-ion à taille et poids égaux, et qu'une autonomie de 1 000 kilomètres pour un véhicule électrique avec une seule charge serait à portée de main à l'avenir.
Le groupe du professeur Ma Cheng de l'université des sciences et technologies de Chine se consacre à la recherche sur les batteries à ions fluor à l'état solide à température ambiante. En novembre 2021, le groupe a publié un article dans la revue allemande "Smole" annonçant la conception et la synthèse d'un nouvel électrolyte à l'état solide à base d'ions fluorure, qui permet d'obtenir un long cycle stable de batterie à l'état solide à base d'ions fluorure à température ambiante pour la première fois dans l'arène internationale. à 25 degrés Celsius Après 4581 heures de charge et de décharge continues à 25 degrés Celsius, aucune dégradation significative de la capacité de la batterie n'a été observée. Auparavant, le nombre de cycles de charge/décharge d'une batterie à ions fluorure à l'état solide à température ambiante indiqué dans la littérature ne dépassait pas 20, ce qui était généralement considéré comme un objectif technique irréalisable.
Perspectives et défis du développement des batteries à ions fluorure
Pour que les voitures électriques puissent tenir plus de 1000 km avec une seule charge, les batteries lithium-ion sont également possibles, mais si vous voulez que les grands camions, les navires, les avions et d'autres véhicules puissants atteignent une autonomie satisfaisante grâce aux batteries, vous devez trouver une technologie de stockage de l'énergie avec une densité énergétique beaucoup plus élevée que les batteries lithium-ion, et la batterie à ions fluorure est une voie prometteuse pour ce type de technologie.
Le développement de la batterie à ions fluorure en est encore à un stade extrêmement précoce. Les chercheurs sont toujours à la recherche de systèmes de matériaux appropriés, et les systèmes ayant une valeur pratique et commerciale ne sont pas encore apparus. La batterie à ions fluorure doit encore relever de nombreux défis au stade de la recherche fondamentale, notamment les chercheurs n'ont pas encore trouvé de matériaux de cathode et d'anode ayant une performance de cycle suffisamment excellente, ni d'électrolytes ayant à la fois une valeur commerciale et d'excellentes performances.
Pour que la technologie des batteries à ions fluorure montre sa valeur d'application le plus tôt possible, il est encore nécessaire d'augmenter l'investissement dans la recherche fondamentale et de résoudre une série de problèmes liés à la recherche fondamentale, tels que les matériaux d'électrodes et les matériaux d'électrolytes.
Batterie à ions fluorure - un concurrent potentiel pour la prochaine génération de batteries
Le développement de la Batterie ionique au fluorure fait l'objet d'une attention croissante en tant que candidat potentiel pour les batteries de la prochaine génération. Des institutions telles que Toyota et Honda au Japon, l'Institut de recherche Helmholtz-Ulm en Allemagne, le Jet Propulsion Laboratory de la NASA et certaines universités en Chine ont lancé des recherches dans ce domaine.
La recherche et le développement de la batterie à ions fluorure en sont encore à un stade extrêmement précoce, et de nombreux problèmes doivent encore être surmontés avant de passer à l'application. Cependant, la batterie à ions fluorure a un grand potentiel et pourrait remplacer la batterie lithium-ion comme batterie principale à l'avenir, en particulier la batterie à ions fluorure à l'état solide à température ambiante, qui pourrait remplacer la batterie lithium-ion à l'avenir. l'industrie des piles au lithium une fois que la technologie sera au point.
Quatre avantages de la batterie à ions fluor
Parmi les nombreuses orientations des batteries de la prochaine génération, la batterie à ions fluorure a attiré beaucoup d'attention en raison d'une série de percées dans la recherche au cours des dernières années. Son principe de fonctionnement est similaire à celui de la batterie lithium-ion, largement utilisée de nos jours, c'est-à-dire que l'ion fluorure est utilisé pour stocker de l'énergie en faisant la navette entre les électrodes positives et négatives. Les experts estiment que la batterie à ions fluor présente des avantages significatifs par rapport à la batterie lithium-ion sur quatre aspects : la densité énergétique, la sécurité, l'approvisionnement en matières premières et le coût.
La recherche d'une densité énergétique plus élevée est un objectif important dans la recherche et le développement des batteries rechargeables, car elle signifie une plus grande capacité de stockage d'énergie. Des informations montrent que la densité énergétique théorique d'une batterie au fluorure d'ions à l'état solide peut être proche de 5 000 wattheures par litre, soit huit fois la limite théorique d'une batterie lithium-ion.
Le professeur de l'université des sciences et technologies de Chine a expliqué que la batterie ionique au fluorure utilise du fluorure de cuivre, du fluorure de calcium et d'autres composés comme matériaux d'électrode, et que sa masse spécifique de matériau actif d'électrode peut fournir une quantité de charge plusieurs fois supérieure à celle d'une batterie ionique au lithium, de sorte que la densité énergétique est bien plus élevée que celle d'une batterie ionique au lithium.
En termes de sécurité, la croissance des dendrites de lithium est l'une des principales raisons affectant la sécurité des batteries lithium-ion, alors que les ions fluor sont extrêmement difficiles à oxyder en monomères de fluor, ce qui permet d'éviter des problèmes similaires à ceux de la croissance des dendrites de lithium. En termes de matières premières, l'abondance du fluor dans la croûte terrestre est beaucoup plus élevée que celle du lithium, et la production annuelle mondiale actuelle de fluor est environ deux ordres de grandeur plus élevée que celle du lithium. En outre, l'extraction du lithium nécessite de grandes quantités d'eau, alors que l'impact environnemental de l'extraction du fluor est beaucoup plus faible.
En termes de coût, les informations montrent que la matière première, le cobalt, couramment utilisée dans les piles au lithium, est chère, tandis que les piles au fluorure d'ions, en plus de l'argent, d'autres anodes et d'autres matériaux, peuvent être utilisés pour la fabrication des piles au lithium. matériaux de cathode coût inférieur, théoriquement le coût par wattheure d'une batterie au fluorure n'est que de 20% à 25% par rapport à une batterie au lithium-ion.
Trois voies pour le développement des batteries à ions fluorure
Dès les années 1970, les scientifiques ont commencé à étudier les batteries à ions fluorure, mais aucun progrès substantiel n'a été réalisé. En 2011, des scientifiques allemands ont pris l'initiative de développer une batterie ionique au fluorure entièrement solide en utilisant du fluorure de baryum et de lanthane comme électrolyte ; la recherche et le développement des batteries ioniques au fluorure n'ont fait que gagner en attention.
À l'heure actuelle, les principales voies techniques de développement des batteries au fluorure comprennent les batteries au fluorure liquide à température ambiante, les batteries au fluorure entièrement solide à haute température et les batteries au fluorure entièrement solide à température ambiante. Parmi elles, la batterie d'ions fluorure liquide à température ambiante utilise une solution organique inflammable et contenant du fluor comme électrolyte, ce qui présente des risques pour la sécurité et l'environnement, tandis que la batterie d'ions fluorure solide à haute température doit fonctionner à haute température et ne peut être utilisée que pour le stockage de l'énergie ou d'autres scénarios spécifiques.
La batterie au fluorure à l'état solide à température ambiante est considérée comme la voie la plus intéressante parmi les trois voies technologiques. En théorie, les batteries au fluorure à l'état solide à température ambiante peuvent être utilisées dans tous les scénarios d'application des batteries lithium-ion actuelles et sont susceptibles de remplacer complètement les batteries lithium-ion une fois que la technologie aura atteint sa maturité.
Le Japon attache une grande importance à la R&D sur les batteries à ions fluorure et a réalisé une série de progrès importants ces dernières années.En décembre 2018, Honda Research Institute of Japan, NASA Jet Propulsion Laboratory, Caltech et d'autres institutions ont collaboré pour publier un article dans la revue américaine Science, affirmant que l'équipe a préparé pour la première fois une batterie à ions fluorure avec un électrolyte liquide qui peut être chargé et déchargé de manière réversible à la température ambiante. batterie à ions à la température ambiante.
En 2020, l'université de Kyoto et Toyota ont annoncé le succès d'un prototype de batterie au fluorure ionique à l'état solide, et les médias japonais ont rapporté à l'époque que la batterie au fluorure ionique pouvait offrir une plus grande autonomie qu'une batterie lithium-ion à taille et poids égaux, et qu'une autonomie de 1 000 kilomètres pour un véhicule électrique avec une seule charge serait à portée de main à l'avenir.
Le groupe du professeur Ma Cheng de l'université des sciences et technologies de Chine se consacre à la recherche sur les batteries à ions fluor à l'état solide à température ambiante. En novembre 2021, le groupe a publié un article dans la revue allemande "Smole" annonçant la conception et la synthèse d'un nouvel électrolyte à l'état solide à base d'ions fluorure, qui permet d'obtenir un long cycle stable de batterie à l'état solide à base d'ions fluorure à température ambiante pour la première fois dans l'arène internationale. à 25 degrés Celsius Après 4581 heures de charge et de décharge continues à 25 degrés Celsius, aucune dégradation significative de la capacité de la batterie n'a été observée. Auparavant, le nombre de cycles de charge/décharge d'une batterie à ions fluorure à l'état solide à température ambiante indiqué dans la littérature ne dépassait pas 20, ce qui était généralement considéré comme un objectif technique irréalisable.
Perspectives et défis du développement des batteries à ions fluorure
Pour que les voitures électriques puissent tenir plus de 1000 km avec une seule charge, les batteries lithium-ion sont également possibles, mais si vous voulez que les grands camions, les navires, les avions et d'autres véhicules puissants atteignent une autonomie satisfaisante grâce aux batteries, vous devez trouver une technologie de stockage de l'énergie avec une densité énergétique beaucoup plus élevée que les batteries lithium-ion, et la batterie à ions fluorure est une voie prometteuse pour ce type de technologie.
Le développement de la batterie à ions fluorure en est encore à un stade extrêmement précoce. Les chercheurs sont toujours à la recherche de systèmes de matériaux appropriés, et les systèmes ayant une valeur pratique et commerciale ne sont pas encore apparus. La batterie à ions fluorure doit encore relever de nombreux défis au stade de la recherche fondamentale, notamment les chercheurs n'ont pas encore trouvé de matériaux de cathode et d'anode ayant une performance de cycle suffisamment excellente, ni d'électrolytes ayant à la fois une valeur commerciale et d'excellentes performances.
Pour que la technologie des batteries à ions fluorure montre sa valeur d'application le plus tôt possible, il est encore nécessaire d'augmenter l'investissement dans la recherche fondamentale et de résoudre une série de problèmes liés à la recherche fondamentale, tels que les matériaux d'électrodes et les matériaux d'électrolytes.