Des chercheurs américains ont mis au point une technologie innovante qui pourrait permettre aux véhicules électriques de nouvelle génération et à d’autres appareils d’être moins sujets aux incendies de batteries tout en augmentant le stockage d’énergie.
La méthode innovante, présentée dans un article publié dans la revue Nature, supprime la croissance des dendrites de lithium – des structures en forme de branches qui se développent à l’intérieur des batteries au lithium dites «tout solide», empêchant les entreprises de commercialiser largement cette technologie prometteuse.
Mais ce nouveau design pour une « intercouche » de batterie, dirigé par le professeur Chunsheng Wang du Département de génie chimique et biomoléculaire, arrête la formation de dendrites, et pourrait ouvrir la porte à la production de batteries tout solide viables pour les véhicules électriques.
Les défis des batteries actuelles
Au moins 750 000 véhicules électriques enregistrés aux États-Unis fonctionnent avec des batteries au lithium-ion – populaires en raison de leur haute capacité de stockage d’énergie mais contenant un composant d’électrolyte liquide inflammable qui brûle lorsqu’il est surchauffé.
Alors qu’aucune agence gouvernementale ne suit les incendies de véhicules par type de voiture, et que les incendies de batteries de voitures électriques semblent être relativement rares, ils posent des risques particuliers ; le National Transportation Safety Board rapporte que les premiers intervenants sont vulnérables à des risques de sécurité, y compris le choc électrique et l’exposition à des gaz toxiques émanant de batteries endommagées ou en combustion.
Vers des batteries plus sûres
Les batteries tout solide pourraient conduire à des voitures plus sûres que les modèles électriques ou à combustion interne actuels, mais créer une stratégie pour contourner les inconvénients a été laborieux, a déclaré Chunsheng Wang.
Lorsque ces batteries sont utilisées à des capacités élevées et à des taux de charge-décharge que les véhicules électriques exigent, les dendrites de lithium se développent vers le côté cathode, provoquant des courts-circuits et une diminution de la capacité.
Les chercheurs ont commencé à développer une théorie pour la formation de la croissance des dendrites de lithium en 2021 ; cela reste un sujet de débat scientifique, ont déclaré les chercheurs.
Une solution innovante
« Après avoir compris cette partie, nous avons proposé l’idée de redessiner les intercouches qui supprimeraient efficacement la croissance des dendrites de lithium », a-t-il déclaré.
Leur solution est unique en raison de la stabilisation des interfaces de la batterie entre l’électrolyte solide et l’anode (où les électrons d’un circuit entrent dans la batterie) et l’électrolyte et la cathode (où l’énergie sort de la batterie).
La nouvelle structure de la batterie ajoute une couche intermédiaire riche en fluor qui stabilise le côté cathode, ainsi qu’une modification de la couche intermédiaire de l’anode avec du magnésium et du bismuth qui supprime la dendrite de lithium.
En synthèse
« Les batteries à semi-conducteurs sont de la prochaine génération parce qu’elles permettent d’obtenir une énergie élevée tout en garantissant la sécurité. Dans les batteries actuelles, si l’on obtient une énergie élevée, on sacrifie la sécurité », a précisé M. Wang.
Les chercheurs ont d’autres défis à résoudre avant que le produit n’entre sur le marché. Pour commercialiser les batteries tout solide, les experts devront réduire l’épaisseur de la couche d’électrolyte solide pour atteindre une épaisseur similaire à celle de l’électrolyte des batteries au lithium-ion, ce qui améliorera la densité énergétique – ou la quantité d’énergie que la batterie peut stocker.
Les coûts élevés des matériaux de base sont un autre défi, a déclaré l’équipe. Visant à mettre les nouvelles batteries sur le marché d’ici 2026, le fabricant de batteries avancées Solid Power prévoit de commencer les essais de la nouvelle technologie pour évaluer son potentiel de commercialisation. La recherche continue vise à augmenter encore la densité énergétique, ont déclaré les chercheurs.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que les dendrites de lithium ?
Les dendrites de lithium sont des structures en forme de branches qui se développent à l’intérieur des batteries au lithium dites « tout solide ». Leur croissance peut provoquer des courts-circuits et une diminution de la capacité de la batterie.
Qu’est-ce qu’une batterie tout solide ?
Une batterie tout solide est une batterie qui utilise un électrolyte solide au lieu d’un électrolyte liquide. Ces batteries sont considérées comme plus sûres et capables de stocker plus d’énergie que les batteries au lithium-ion traditionnelles.
Quels sont les avantages des batteries tout solide ?
Les batteries tout solide peuvent atteindre une haute énergie et une sécurité. Elles sont moins susceptibles de provoquer des incendies de batteries et peuvent stocker plus d’énergie que les batteries au lithium-ion traditionnelles.
Quels sont les défis à relever pour la commercialisation des batteries tout solide ?
Les défis à relever pour la commercialisation des batteries tout solide comprennent la réduction de l’épaisseur de la couche d’électrolyte solide et la gestion des coûts élevés des matériaux de base.
Quand peut-on s’attendre à voir ces nouvelles batteries sur le marché ?
Le fabricant de batteries avancées Solid Power prévoit de commencer les essais de la nouvelle technologie pour évaluer son potentiel de commercialisation et vise à mettre les nouvelles batteries sur le marché d’ici 2026.
Article : « Interface design for all-solid-state lithium batteries » – DOI: 10.1038/s41586-023-06653-w
