Un laboratoire français explique la mobilité du lithium dans des électrolytes très concentrés

Le Laboratoire Léon Brillouin, en France, a mis en avant le 22 octobre une étude sur la capacité des électrolytes « water-in-salt » à conduire efficacement les ions malgré une viscosité élevée. Célia Doublet et ses coauteurs ont combiné plusieurs techniques expérimentales pour examiner des solutions aqueuses concentrées de bis(trifluorométhanesulfonyl)imide de lithium, ou LiTFSI. Leur article est paru dans Journal of Physics: Energy le 8 octobre ; l’annonce ultérieure du laboratoire présente cette recherche et non une batterie nouvellement fabriquée.

Les expériences ont porté sur des concentrations allant de 0,5 à 21 moles de sel par kilogramme d’eau. Entre ces deux limites, les coefficients d’autodiffusion de l’eau et du lithium diminuent d’un facteur d’environ 18, tandis que la diffusion des anions TFSI baisse de plus d’un facteur 35. Ces comparaisons concernent la mobilité moléculaire : elles ne constituent ni des vitesses de recharge ni des gains de capacité énergétique.

Cette différence indique que les espèces ne subissent pas toutes de la même manière la résistance du liquide. Les chercheurs interprètent leurs mesures comme la preuve de régions temporaires riches en eau dans une structure environnante riche en anions. L’eau peut se déplacer rapidement à l’intérieur de ces petites régions et passer de l’une à l’autre. Cette organisation se reconfigure avec le temps et fournit un mécanisme permettant à de petites espèces solvatées de rester mobiles malgré la viscosité croissante du liquide.

L’équipe a associé mesures de viscosité et de conductivité, résonance magnétique nucléaire à gradients de champ pulsés et diffusion quasi élastique des neutrons. La RMN suivait les espèces sur de plus longues distances, tandis que les neutrons exploraient des mouvements beaucoup plus courts. Les expériences ont utilisé SHARPER, IN16B et IN13 à l’Institut Laue–Langevin en France, ainsi que FOCUS à l’Institut Paul Scherrer en Suisse. L’analyse séparait autodiffusion à longue portée, translation localisée et rotation moléculaire.

La préparation des échantillons était essentielle, le LiTFSI absorbant facilement l’humidité. Les chercheurs ont séché le sel pendant une nuit sous vide à 120°C, dégazé l’eau à l’argon et préparé les solutions en boîte à gants sous argon. Les mesures de RMN de la branche à température élevée couvraient 25–45°C. Les mesures de viscosité couvraient généralement 5–50°C, avec des limitations à basse température pour les solutions les plus concentrées en raison de la précipitation du sel. Ces températures sont des conditions expérimentales et non des limites d’exploitation recommandées pour des batteries commerciales.

L’étude a également comparé les mesures neutroniques avec et sans polarisation appliquée de 1 volt, sans changement détectable de la dynamique de l’eau dans ce dispositif. Les auteurs précisent que l’expérience mesurait surtout le volume d’électrolyte : la contribution de la très mince région interfaciale était trop faible pour être résolue. Ce résultat n’établit donc pas l’absence d’effet des champs électriques aux interfaces des électrodes ou dans d’autres conditions.

Selon les auteurs, les paramètres dynamiques obtenus peuvent aider à contraindre les simulations de dynamique moléculaire, y compris celles assistées par apprentissage automatique. La contribution est une description du transport dans un système électrolytique particulier, étayée expérimentalement. Elle fournit des informations pour la conception et la modélisation des matériaux ; les performances commerciales nécessitent encore des preuves distinctes sur les cellules complètes, la tenue en cyclage, les coûts et l’échelle de fabrication.