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Une nouvelle technologie de batterie rechargeable mise au point à l’Université du Michigan pourrait doubler le rendement des cellules au lithium-ion – étendant considérablement la portée des véhicules électriques et le temps entre les recharges des téléphones cellulaires – sans augmenter les dimensions des batteries.

Un électrolyte en céramique

En utilisant un électrolyte à l’état solide en céramique, des ingénieurs peuvent exploiter la puissance des batteries au lithium métal sans les problèmes historiques de durabilité et de court-circuit. Le résultat est une feuille de route pour ce qui pourrait être la prochaine génération de piles rechargeables.

« Cela pourrait changer la donne – un changement de paradigme dans le fonctionnement d’une batterie », a déclaré Jeff Sakamoto, professeur agrégé de génie mécanique à l’université d’UM.

Dans les années 1980, les batteries rechargeables au lithium-métal qui utilisaient des électrolytes liquides étaient considérées comme la prochaine grande révolution, pénétrant le marché des premiers téléphones portables. Mais leur propension à brûler lorsqu’ils sont chargés à obliger les ingénieurs à prendre différentes directions. Les atomes de lithium qui circulent entre les électrodes ont tendance à former des filaments en forme d’arbres appelés dendrites sur les surfaces des électrodes, court-circuitant éventuellement la batterie et enflammant l’électrolyte, puis la pile.

Moins dense en énergie

La batterie lithium-ion – une technologie plus stable mais moins dense en énergie – a été introduite en 1991 et est rapidement devenue la nouvelle norme. Ces batteries remplacent le lithium métallique par des anodes en graphite, qui absorbent le lithium et empêchent la formation des dendrites, mais présentent également des coûts au niveau des performances :

  • Le graphite ne peut contenir qu’un seul ion lithium pour six atomes de carbone, ce qui lui donne une capacité d’environ 350 milliampères/heures par gramme (mAh / g). Le lithium métallique dans une batterie à l’état solide a une capacité de 3 800 mAh / g. Les batteries lithium-ion actuelles atteignent une densité totale d’environ 600 wattheures par litre (Wh / L) au niveau de la cellule. En principe, les batteries à semi-conducteurs peuvent atteindre 1 200 Wh / L.
  • Pour résoudre ce problème de la combustion du lithium métallique, les ingénieurs l’UM ont créé une couche de céramique qui stabilise la surface, empêchant les dendrites de se former et de prévenir les incendies. Elle permet aux batteries de tirer parti des avantages du lithium métal sans les dangers d’incendie ou de dégradation avec le temps.

Une approche différente

« Nous avons mis au point une approche différente: en stabilisant physiquement la surface du lithium métallique avec une céramique », a déclaré Sakamoto. « La céramique n’est pas combustible. Nous le faisons à plus de 980 degrés Celsius dans l’air, et il n’y a pas de liquide, ce qui alimente généralement les feux des batteries utilisées actuellement. « Vous vous débarrassez de ce carburant, vous vous débarrassez de la combustion. »

Lors d’essais antérieurs d’électrolytes à l’état solide, le lithium métallique a traversé l’électrolyte en céramique à des taux de charge faibles, provoquant un court-circuit, semblable à celui des cellules liquides. Les chercheurs de l’UM ont résolu ce problème avec des traitements chimiques et mécaniques qui fournissent une surface propre pour le lithium de manière uniforme, supprimant efficacement la formation de dendrites ou de filaments. Non seulement cela améliore la sécurité, mais cela permet une amélioration des taux de facturation lors de la production de ces piles, a déclaré Sakamoto.

« Jusqu’à présent, le taux de plaques du lithium signifierait que vous devriez charger une batterie de voiture au lithium métal après 20 à 50 heures (à pleine puissance) », a déclaré Sakamoto. « Avec cette percée, nous avons démontré que nous pouvions charger la batterie en 3 heures ou moins.

Un facteur 10 d’augmentation de la vitesse de chargement

« Nous parlons ici d’un facteur 10 d’augmentation de la vitesse de chargement par rapport aux rapports précédentes batteries au lithium-métal à semi-conducteurs. Nous sommes désormais à égalité avec les batteries lithium-ion en matière de taux de charge, mais avec des avantages supplémentaires. »

Ce processus de charge / recharge entraînait inévitablement la mort d’une batterie au lithium-ion. L’échange répété d’ions entre la cathode et l’anode produisait une dégradation visible dès la sortie de la boîte. En testant l’électrolyte à base de céramique, aucune dégradation visible n’était observée après un cycle à long terme, a déclaré Nathan Taylor, un post-doctorant à l’UM en génie mécanique.

Après 22 jours la batterie était exactement la même

« Nous avons fait le même test pendant 22 jours, la batterie était exactement la même au début qu’elle l’était à la fin. Nous n’avons pas constaté de dégradation. Nous n’avons pas connaissance d’autre électrolyte à l’état solide en vrac qui fonctionne bien aussi longtemps. »

Les électrolytes à l’état solide en vrac permettent aux cellules qui remplacent facilement les batteries lithium-ion actuelles et peuvent tirer parti de la technologie de fabrication des batteries existantes. La performance des matériaux ayant été vérifiée, le groupe de recherche a commencé à produire de minces couches d’électrolyte solides nécessaires pour atteindre les objectifs de capacité à l’état solide.

La découverte du groupe sera publié le 31 août dans the Journal of Power Sources.

Source : University of Michigan