L’industrie des batteries rencontre des difficultés croissantes pour concilier performance, sécurité et durabilité. Les batteries lithium-ion, omniprésentes dans nos appareils électriques et véhicules, posent des défis en matière de sécurité et d’efficacité énergétique. Comment les innovations peuvent-elles répondre à ces exigences tout en préservant l’environnement ?
Les batteries lithium-ion (LIBs) dominent le marché des appareils électriques et des véhicules. Leur électrolyte organique liquide est considéré indispensable pour leur efficacité énergétique. Cependant, la sécurité de ces batteries pose un problème croissant à mesure que la demande augmente. Les batteries à électrolyte solide offrent une solution potentielle pour atténuer ces risques, mais l’interface entre les électrodes solides et l’électrolyte ne favorise pas le transfert optimal des ions lithium. De plus, l’expansion et la contraction des électrodes solides peuvent perturber cette interface, entraînant une dégradation de la performance.
Une nouvelle approche : la batterie quasi-solide
Pour surmonter ces obstacles, une équipe de chercheurs japonais a mis au point une batterie lithium-ion quasi-solide non inflammable. Dirigée par Ryosuke Kido de l’Université Doshisha et de la TDK Corporation, et incluant le professeur Minoru Inaba et le professeur Takayuki Doi de l’Université Doshisha, ainsi qu’Atsushi Sano de la TDK Corporation, cette équipe a publié leurs résultats dans le «Journal of Energy Storage».
Ryosuke Kido a ajouté : « L’augmentation de la capacité des matériaux actifs des électrodes positives et négatives pour obtenir une densité énergétique plus élevée réduit les performances cycliques et la sécurité. La batterie quasi-solide retardant la flamme que nous avons développée, combinant un électrolyte liquide et un électrolyte solide, offre une alternative plus sûre et plus durable aux batteries entièrement solides avec une haute densité énergétique. »
La conception et la performance de la batterie
La nouvelle conception de la batterie utilise une électrode négative en silicium (Si) et une électrode positive en LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM811), matériaux considérés comme de prochaine génération pour les LIBs. Les électrodes sont séparées par une feuille de céramique de verre conductrice d’ions lithium (LICGC™) de OHARA. Les chercheurs ont développé des solutions électrolytiques quasi-saturées, non inflammables, adaptées à chaque électrode, utilisant des composés comme le tris(2,2,2-trifluoroéthyl)phosphate et le méthyl 2,2,2-trifluoroéthylcarbonate. Ces solutions améliorent la compatibilité et la performance à l’interface électrolyte solide.
Les tests de performance ont montré que ces cellules de poche quasi-solides de 30 mAh offrent une excellente conductivité ionique, une stabilité thermique et une performance électrochimique remarquable. Les mesures incluent la spectroscopie d’impédance électrochimique, des tests de charge-décharge, et la calorimétrie accélérée de taux (ARC). La batterie a démontré une capacité de charge/décharge élevée avec une bonne performance cyclique et peu de changement dans la résistance interne. Les tests ARC ont également révélé une stabilité thermique accrue, avec une génération de chaleur très faible même à des températures élevées autour de 150 °C.
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Le développement de cette nouvelle batterie lithium-ion quasi-solide pourrait révolutionner le secteur des véhicules électriques et des appareils sans fil comme les drones, en améliorant à la fois la sécurité et l’efficacité énergétique. Ryosuke Kido a conclu : « Alors que le monde se dirige vers la neutralité carbone, les véhicules électriques gagnent en importance. Il est essentiel de développer des batteries automobiles extrêmement sûres avec une durée de vie prolongée. La batterie quasi-solide de notre étude a le potentiel d’améliorer la longévité des LIBs à base liquide et d’augmenter la densité énergétique tout en conservant la sécurité des batteries entièrement solides. »
Légende illustration : Des chercheurs de l’université de Doshisha, au Japon, ont mis au point une nouvelle batterie lithium-ion (LIB) à l’état quasi-solide avec des électrolytes solides et liquides ininflammables. La batterie présente une conductivité ionique plus élevée, une performance de cycle améliorée et une meilleure sécurité que les batteries lithium-ion conventionnelles. Crédit : Ryosuke Kido de Doshisha University
Article : ‘Highly safe quasi-solid-state lithium ion batteries with two kinds of nearly saturated and non-flammable electrolyte solutions’ / ( 10.1016/j.est.2024.114115 ) – Doshisha University – Publication dans la revue Journal of Energy Storage
Source : Université de Doshisha
Tous ces investissements en temps et argent pour le lithium devrait être réorientés vers une batterie réellement écologique et sans danger, comme le sodium. On nous dira bientôt qu’il faut remplacer nos voitures au lithium par une nouvelle moins dangereuse et moins polluante. On a déjà vécu ça avec le diesel catalysé, ou avec le gnl.