Nouvel electrolyte pour Batteries à Ions Fluorure

Faits marquants | Frisbi

Le projet FRISBI vise à développer des batteries tout solides à ions fluorure comme alternative aux batteries lithium-ion, en raison de densités d’énergie théoriques élevées. Les travaux portent sur la conception d’électrolytes solides conducteurs, l’exploration de matériaux d’électrodes fluorés et l’intégration de ces composants dans des cellules électrochimiques. Des électrolytes à base d’étain présentant une conduction ionique prometteuse sont étudiés, et différentes familles structurales de matériaux d’électrodes sont explorées.

Les batteries à ions fluorure reposent sur la migration d’ions F⁻ entre deux électrodes. Cependant, le développement de systèmes entièrement solides reste fortement limité par l’absence d’électrolytes solides capables d’assurer, à température ambiante, un transport efficace des ions fluorure F-. Dans cette perspective, l’utilisation d’électrolytes liquides constitue une approche pertinente pour étudier les matériaux d’électrodes d’insertion, car elle permet de s’affranchir des limitations liées aux interfaces solide–solide et d’accéder plus directement aux propriétés électrochimiques intrinsèques des électrodes. Dans ce contexte, un nouvel électrolyte composé de fluorure de 1-butyl-3-méthylimidazolium (BMimF) dissous dans l’acétonitrile a été étudié. Contrairement à des sels couramment utilisés tels que le TBAF·3H2O, dans lesquels l’ion fluorure est fortement coordiné par trois molécules d’eau, le BMimF permet d’obtenir des ions fluorure beaucoup moins solvatés. Les analyses par RMN du fluor (19F) montrent que cette solution fournit une fraction significative d’ions fluorure « libres » (« naked »), favorisant leur mobilité et leur réactivité électrochimique.

Les mesures électrochimiques révèlent une conductivité ionique élevée (15,3 mS·cm-1 à température ambiante) et une fenêtre de stabilité électrochimique comprise entre 0,37 et 1,59 V vs. Pb/PbF2, comparable à celle de l’électrolyte référence 1M TBAF dans THF. Testé dans une cellule symétrique Pb/PbF2, cet électrolyte permet un cyclage réversible avec une très faible surtension initiale de 75 mV à 6 mA·g-1, valeur parmi les plus faibles rapportées pour ce système. Associé à une électrode positive de BiF3, il permet également des réactions de conversion réversibles avec une surtension modérée (≈160 mV), confirmant l’efficacité du transport des ions fluorure.

Figure 1: Domaine de stabilité électrochimique de TBAF∙3H2O dans le THF et BMimF dans le CH3CN à gauche, et premier cycle complet de cellules symétriques Pb+PbF2+VGCF avec TBAF·3H2O dans le THF et BMimF dans le CH3CN comme électrolyte.

En parallèle, la compatibilité chimique de cet électrolyte a été évaluée avec le matériau d’insertion CsMnFeF6. Contrairement à l’électrolyte hydraté de référence 1M TBAF dans THF, la solution de BMimF limite la dissolution des cations et préserve l’intégrité structurale du matériau après plusieurs jours de contact. Si les performances électrochimiques en insertion restent modestes, ces résultats démontrent que les sels d’imidazolium fluorés constituent une voie prometteuse pour concevoir des électrolytes secs, conducteurs et plus stables pour les batteries fluorure de nouvelle génération.