Un revêtement stabilisant sur une électrode, combiné à des canaux à micro-échelle, aide à résoudre le compromis entre l’autonomie et la vitesse de charge, même par temps froid. Un processus de fabrication modifié pour les batteries de véhicules électriques, mis au point par des ingénieurs de l’université du Michigan, pourrait permettre une grande autonomie et une recharge rapide par temps froid, résolvant ainsi les problèmes qui rebutent les acheteurs potentiels de véhicules électriques.
« Nous envisageons cette approche comme quelque chose que les fabricants de batteries pour véhicules électriques pourraient adopter sans apporter de changements majeurs aux usines existantes », a précisé Neil Dasgupta, professeur agrégé d’ingénierie mécanique et de science et ingénierie des matériaux à l’université du Michigan, et auteur correspondant de l’étude publiée dans Joule.
« Pour la première fois, nous avons montré une voie permettant d’obtenir simultanément une charge extrêmement rapide à basse température, sans sacrifier la densité énergétique de la batterie au lithium-ion. »
Les batteries lithium-ion pour véhicules électriques fabriquées de cette manière peuvent se charger 500 % plus rapidement à des températures aussi basses que 14 F (-10 C). La structure et le revêtement démontrés par l’équipe ont empêché la formation d’un placage de lithium nuisible aux performances sur les électrodes de la batterie. Par conséquent, les batteries ainsi modifiées conservent 97 % de leur capacité, même après avoir été rechargées 100 fois à des températures très froides.
Les batteries actuelles des véhicules électriques stockent et libèrent de l’énergie grâce au mouvement des ions lithium entre les électrodes par l’intermédiaire d’un électrolyte liquide. Par temps froid, ce mouvement des ions ralentit, ce qui réduit à la fois la puissance de la batterie et la vitesse de charge.
Pour augmenter l’autonomie, les constructeurs automobiles ont augmenté l’épaisseur des électrodes qu’ils utilisent dans les cellules des batteries. Si cela leur a permis de promettre des trajets plus longs entre les charges, il est difficile d’accéder à une partie du lithium, ce qui ralentit la charge et réduit la puissance pour un poids donné de la batterie.
L’équipe de M. Dasgupta a déjà amélioré la capacité de charge des batteries en créant des voies d’accès – d’une taille d’environ 40 microns – dans l’anode, l’électrode qui reçoit les ions lithium pendant la charge. En perçant le graphite à l’aide de lasers, les ions lithium ont pu trouver plus rapidement des endroits où se loger, même au plus profond de l’électrode, ce qui a permis une charge plus uniforme.
Cela a permis d’accélérer considérablement le chargement à température ambiante, mais le chargement à froid restait inefficace. L’équipe a identifié le problème : la couche chimique qui se forme à la surface de l’électrode en réagissant avec l’électrolyte. M. Dasgupta compare ce comportement à celui du beurre : on peut y planter un couteau, qu’il soit chaud ou froid, mais c’est beaucoup plus difficile lorsqu’il est froid. Si vous essayez d’effectuer une charge rapide à travers cette couche, le lithium métal s’accumulera sur l’anode comme un embouteillage.
« Ce dépôt empêche l’électrode entière d’être chargée, ce qui réduit une fois de plus la capacité énergétique de la batterie », explique Manoj Jangid, chercheur principal en génie mécanique à l’U-M et coauteur de l’étude.
L’équipe devait empêcher la formation de cette couche superficielle. Pour ce faire, elle a recouvert la batterie d’un matériau vitreux composé de borate-carbonate de lithium, d’une épaisseur d’environ 20 nanomètres. L’ajout de ce revêtement a considérablement accéléré le chargement à froid et, en combinaison avec les canaux, les cellules d’essai de l’équipe étaient 500 % plus rapides à charger à des températures inférieures au point de congélation.
« Grâce à la synergie entre les architectures tridimensionnelles et l’interface artificielle, ce travail peut simultanément résoudre le trilemme de la charge rapide à basse température pour la conduite sur de longues distances », a ajouté Tae Cho, récemment diplômé d’un doctorat en génie mécanique et premier auteur de l’étude.
Au cours des deux dernières décennies, les VE sont devenus plus courants sur les routes car les consommateurs recherchent des options plus écologiques, mais les résultats de l’enquête de l’AAA ont montré que l’élan est difficile à maintenir. De 2023 à 2024, le nombre d’adultes américains qui seraient « susceptibles » ou « très susceptibles » d’acheter un VE neuf ou d’occasion a chuté de 23 % à 18 %.
Et 63 % ont déclaré qu’il était « improbable » ou « très improbable » qu’ils fassent d’un VE leur prochain achat de véhicule. Les inquiétudes portent en partie sur la diminution de l’autonomie en hiver, combinée à une charge plus lente, qui a été largement signalée lors de la vague de froid de janvier 2024.
« Charger la batterie d’un véhicule électrique prend 30 à 40 minutes, même en cas de charge rapide agressive, et ce temps passe à plus d’une heure en hiver. C’est à ce problème que nous voulons remédier », a conclu M. Dasgupta.
Les appareils ont été construits dans l’ U-M Battery Lab et ont été étudiés au Centre de caractérisation des matériaux du Michigan.
Article : « Enabling 6C fast charging of Li-ion batteries at sub-zero temperature via interface engineering and 3D architectures » (DOI: 10.1016/j.joule.2025.101881)
Légende illustration : Chloe Acosta, étudiante en ingénierie, branche un véhicule électrique pour le recharger par temps de neige sur le campus nord de l’université du Michigan. La recharge des VE devient moins efficace par temps froid, mais une nouvelle stratégie de fabrication des électrodes de batterie pourrait permettre de les recharger en 10 minutes à des températures allant jusqu’à -10°C. Crédit photo : Marcin Szczepanski, Michigan Engineering
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