Au cours des dernières décennies, la recherche sur les batteries s’est largement concentrée sur les batteries rechargeables au lithium-ion, qui sont utilisées dans tous les domaines, des voitures électriques aux appareils électroniques portables, et qui se sont considérablement améliorées en termes de prix et de capacité. Mais les batteries non rechargeables ont connu peu d’améliorations pendant cette période, malgré leur rôle crucial dans de nombreuses utilisations importantes, comme les dispositifs médicaux implantables tels que les stimulateurs cardiaques.
Aujourd’hui, des chercheurs du MIT ont trouvé un moyen d’améliorer la densité énergétique de ces batteries non rechargeables, ou « primaires ». Ils affirment que cette solution pourrait permettre d’augmenter de 50 % la durée de vie utile, ou de diminuer d’autant la taille et le poids pour une quantité donnée de puissance ou de capacité énergétique, tout en améliorant la sécurité, avec une augmentation minime ou nulle du coût.
Ces nouvelles découvertes, qui impliquent le remplacement de l’électrolyte de la batterie, traditionnellement inactif, par un matériau actif pour la fourniture d’énergie, sont présentées aujourd’hui dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences, dans un article rédigé par Haining Gao, titulaire d’une bourse postdoctorale Kavanaugh du MIT, Alejandro Sevilla, étudiant diplômé, Betar Gallant, professeur associé de génie mécanique, et quatre autres chercheurs du MIT et de Caltech.
« Le remplacement de la batterie d’un stimulateur cardiaque ou d’un autre implant médical nécessite une intervention chirurgicale, de sorte que toute augmentation de la longévité de leurs batteries pourrait avoir un impact significatif sur la qualité de vie du patient, » commente M. Gallant. Les piles primaires sont utilisées pour ces applications essentielles car elles peuvent fournir environ trois fois plus d’énergie pour une taille et un poids donnés que les piles rechargeables.
Cette différence de capacité, ajoute M. Gao, rend les piles primaires « essentielles pour les applications où la recharge n’est pas possible ou n’est pas pratique. » Les nouveaux matériaux fonctionnent à la température du corps humain et conviendraient donc aux implants médicaux. Outre les dispositifs implantables, dont le développement se poursuit pour que les batteries fonctionnent efficacement à des températures plus basses, les applications pourraient également inclure des capteurs dans des dispositifs de suivi des expéditions, par exemple pour garantir que les exigences en matière de température et d’humidité pour les expéditions de nourriture ou de médicaments sont correctement maintenues tout au long du processus d’expédition. Elles pourraient également être utilisées dans des véhicules aériens ou sous-marins télécommandés qui doivent rester prêts à être déployés pendant de longues périodes.
Les batteries de stimulateurs cardiaques durent généralement de cinq à dix ans, voire moins si elles nécessitent des fonctions à haute tension, comme la défibrillation. Pourtant, pour ces batteries, explique M. Gao, la technologie est considérée comme mature, et « il n’y a pas eu d’innovations majeures dans les chimies fondamentales des cellules au cours des 40 dernières années.«
La clé de l’innovation de l’équipe est un nouveau type d’électrolyte – le matériau qui se trouve entre les deux pôles électriques de la batterie, la cathode et l’anode, et qui permet aux porteurs de charge de passer d’un côté à l’autre. « En utilisant un nouveau composé liquide fluoré, l’équipe a découvert qu’elle pouvait combiner certaines des fonctions de la cathode et de l’électrolyte en un seul composé, appelé catholyte. Cela permet d’économiser une grande partie du poids des batteries primaires typiques, » indique M. Gao.
« Bien qu’il existe d’autres matériaux que ce nouveau composé qui pourraient théoriquement jouer un rôle similaire de catholyte dans une batterie à haute capacité« , ajoute M. Gallant, « ces matériaux ont des tensions inhérentes plus faibles qui ne correspondent pas à celles du reste du matériau dans une batterie de stimulateur cardiaque classique, un type connu sous le nom de CFx« .
Étant donné que la production globale de la batterie ne peut pas être supérieure à celle du plus petit des deux matériaux d’électrode, la capacité supplémentaire serait gaspillée en raison de la discordance de tension. Mais avec le nouveau matériau, « l’un des principaux mérites de nos liquides fluorés est que leur tension s’aligne très bien sur celle du CFx« , explique toujours M. Gallant.
Dans une batterie CFx classique, l’électrolyte liquide est essentiel car il permet aux particules chargées de passer d’une électrode à l’autre. Mais « ces électrolytes sont en fait chimiquement inactifs, ils sont donc essentiellement un poids mort« , commente encore M. Gao. « Cela signifie qu’environ 50 % des composants clés de la batterie, principalement l’électrolyte, sont des matériaux inactifs. Mais dans la nouvelle conception avec le catholyte fluoré, la quantité de poids mort peut être réduite à environ 20 %. »
« Les nouvelles cellules offrent également des améliorations en matière de sécurité par rapport à d’autres types de produits chimiques proposés qui utiliseraient des catholytes toxiques et corrosifs, ce qui n’est pas le cas de leur formule, » explique Mme Gallant. « De plus, les tests préliminaires ont démontré une durée de conservation stable sur plus d’un an, une caractéristique importante pour les batteries primaires« .
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Jusqu’à présent, l’équipe n’a pas encore réalisé expérimentalement l’amélioration complète de 50 % de la densité énergétique prévue par son analyse. Elle a démontré une amélioration de 20 %, ce qui, en soi, serait un gain important pour certaines applications, selon M. Gallant. La conception de la cellule elle-même n’a pas encore été entièrement optimisée, mais les chercheurs peuvent projeter les performances de la cellule sur la base des performances du matériau actif lui-même. « Nous pouvons voir que les performances projetées au niveau de la cellule, lorsqu’elle est mise à l’échelle, peuvent atteindre environ 50 % de plus que la cellule CFx« , explique-t-elle. Atteindre ce niveau expérimentalement est le prochain objectif de l’équipe.
Sevilla, doctorante au département de génie mécanique, se concentrera sur ce travail au cours de l’année à venir. « On m’a associé à ce projet pour essayer de comprendre certaines des limites qui expliquent pourquoi nous n’avons pas été en mesure d’atteindre la densité d’énergie maximale possible« , explique-t-il. « Mon rôle a été d’essayer de combler les lacunes en termes de compréhension de la réaction sous-jacente.«
Selon M. Gao, l’un des grands avantages du nouveau matériau est qu’il peut être facilement intégré dans les processus de fabrication de batteries existants, en remplaçant simplement un matériau par un autre.
Les discussions préliminaires avec les fabricants confirment cette substitution potentiellement facile, dit M. Gao. Le matériau de base, utilisé à d’autres fins, a déjà été mis à l’échelle pour la production, dit-elle, et son prix est comparable à celui des matériaux actuellement utilisés dans les batteries CFx. Son prix est comparable à celui des matériaux actuellement utilisés dans les piles CFx. Le coût des piles utilisant le nouveau matériau devrait également être comparable à celui des piles existantes, dit-elle. L’équipe a déjà déposé une demande de brevet pour le catholyte et s’attend à ce que les applications médicales soient les premières à être commercialisées, avec peut-être un prototype à grande échelle prêt à être testé dans des appareils réels d’ici un an environ.
Plus tard, d’autres applications pourraient également tirer parti de ces nouveaux matériaux, comme des compteurs d’eau ou de gaz intelligents pouvant être lus à distance, ou des dispositifs tels que les transpondeurs EZPass, dont la durée de vie utile serait accrue, selon les chercheurs.
L’alimentation des drones ou des véhicules sous-marins nécessiterait une puissance plus élevée et pourrait donc prendre plus de temps à être développée. Parmi les autres utilisations possibles, citons les batteries destinées aux équipements utilisés sur des sites distants, tels que les plateformes de forage pour le pétrole et le gaz, y compris les dispositifs envoyés dans les puits pour surveiller les conditions.
Auteur : David L. Chandler, MIT News Office
Additional background / Paper: “Fluoro-Organosulfur Catholytes to Boost Lithium Primary Battery Energy”
