La clef du développement d’une batterie de véhicule électrique (VE) capable de se charger aussi rapidement qu’il faut pour faire le plein d’essence réside dans les matériaux qui la constituent.
Le monde se trouve à un point de basculement avec les véhicules électriques.
En 2022, 5,8% des nouvelles voitures achetées par les Américains étaient électriques, contre 3,2% en 2021, et le total des ventes de VE a dépassé 800 000 pour la première fois. Mais un défi persiste dans l’industrie : développer une batterie capable de se recharger en l’espace de 10 à 15 minutes.
La recharge ultra-rapide met à rude épreuve chaque composant d’une batterie, et les différences de chimie, de matériaux et d’ingénierie des électrodes pourraient avoir de gros effets sur la performance.
Les matériaux à cathode à oxyde stratifié à haute teneur en nickel présentent un potentiel pour rendre les batteries des véhicules électriques plus rapides à charger, plus durables et plus autonomes.
Une équipe de chercheurs dirigée par le Laboratoire National de l’Idaho a découvert que des cathodes fabriquées à partir d’un matériau riche en nickel appelé NMC811 (80% de nickel, 10% de manganèse, 10% de cobalt) conservaient une plus longue durée de vie et une meilleure performance. Bien qu’il ne s’agisse pas d’une nouvelle chimie distincte, le NMC811 pourrait offrir une voie vers une meilleure performance. Comprendre ses propriétés sera la clé.
Une batterie lithium-ion fournit de l’énergie en déplaçant des ions à travers ses électrolytes de la cathode à l’anode. Alors que les chercheurs commencent à mieux comprendre le placage au lithium sur les anodes, ils comprennent moins l’effet de la recharge ultra-rapide sur les cathodes.
Les chercheurs de l’INL dirigés par Tanvir Tanim avaient publié en 2022 un article dans Advanced Energy Materials, indiquant : « Une compréhension complète des effets du vieillissement de la recharge ultra-rapide sur la cathode à haute teneur en nickel NMC« . L’article explique que, alors que l’industrie de la batterie s’oriente vers des cathodes à plus haute teneur en nickel, il faudra une compréhension complète de la façon dont les matériaux pourraient se dégrader lors de la recharge ultra-rapide.
L’étude de l’équipe détaille le comportement vieillissant du NMC811 sous différentes conditions de recharge rapide, le plus extrême étant équivalent à plus de 320 000 kilomètres de conduite. L’article compare les performances du NMC811 au NMC532 (50% de nickel, 30% de manganèse, 20% de cobalt), le matériau le plus courant dans les batteries lorsque la recherche a commencé il y a plus de cinq ans.
À différents taux de recharge rapide, l’équipe dirigée par l’INL a utilisé une gamme de techniques électrochimiques pour évaluer les cellules de batterie chargées entre 35% et 100%. Les études se sont concentrées sur les mécanismes de défaillance, notamment la façon dont les particules se fracturent mécaniquement pendant le cyclage. Pour voir combien de fissuration s’est produite sous différentes conditions de cyclage, ils ont utilisé des techniques avancées de microscopie électronique à balayage pour examiner l’architecture des particules.
En comparant les deux matériaux de cathode, Tanim a déclaré qu’ils étaient surpris que, bien que le NMC811 ait montré une plus grande dégradation subsurface, il ait montré une meilleure performance de durée de vie de cycle que le NMC532. Il a partiellement attribué cela au fait que les molécules du NMC811 sont disposées de manière à créer des chemins d’ions lithium plus libres. Le NMC811 a également une conductivité électrique et ionique supérieure au NMC532, ce qui augmente la quantité de charge qu’une batterie peut contenir en utilisation répétée.
De plus, le NMC811 a montré une croissance de l’impédance plus lente. L’impédance est une mesure de la résistance interne et est importante car une haute résistance fait chauffer une batterie, ce qui diminue la tension et réduit la capacité de la cellule au point de la rendre inutilisable. Une batterie à faible impédance délivre un courant élevé à la demande.
Dans l’ensemble, le NMC811 a montré une énergie spécifique plus élevée – l’énergie électrique qui peut être obtenue à partir d’une cellule en un cycle de décharge divisé par la masse de la cellule individuelle – et une meilleure conductivité électrique que les variétés à plus faible teneur en nickel. Comme le cobalt est limité en quantité et coûteux, la plus faible teneur en cobalt du NMC811 indique également un coût inférieur.
Les recherches effectuées dans les laboratoires nationaux sont transmises au département américain de l’énergie, qui les partage avec la communauté scientifique, les développeurs de batteries et l’industrie automobile. « Certains fabricants automobiles ont déjà commencé à utiliser le NMC811 sur les cathodes, ce qui rend la recherche particulièrement pertinente« , a déclaré Tanim.
Tanim a indiqué que l’influence complexe de l’orientation des grains et de l’architecture sur la performance des particules uniques sera l’objet de travaux futurs.
Dans l’ensemble, cependant, l’équipe de recherche a conclu que les cathodes faites de NMC811 pourraient être un meilleur pari pour les batteries de véhicules électriques qui peuvent se charger en 10 à 15 minutes.
« Le NMC811 offrira plus de flexibilité pour optimiser une batterie pour une haute énergie et une haute puissance« , a déclaré l’article.
* Battelle Energy Alliance gère l’INL pour le compte de l’Office of Nuclear Energy du ministère américain de l’énergie. L’INL est le centre national de recherche et de développement en matière d’énergie nucléaire et effectue également des recherches dans chacun des domaines stratégiques du ministère de l’énergie : énergie, sécurité nationale, science et environnement.
Légende illustration : L’équipe cherche à accélérer le chargement des véhicules en utilisant le NMC811 sur les cathodes. ©INL
