Les véhicules électriques de nouvelle génération pourraient fonctionner avec des batteries au lithium métallique qui permettent de parcourir 800 à 1120 kilomètres avec une seule charge, soit le double de l’autonomie des batteries lithium-ion conventionnelles utilisées dans les véhicules électriques actuels.
La technologie du lithium métallique présente toutefois des inconvénients majeurs : la batterie perd rapidement sa capacité de stockage d’énergie après relativement peu de cycles de charge et de décharge, une caractéristique très peu pratique pour les conducteurs qui s’attendent à ce que les voitures électriques rechargeables fonctionnent pendant des années.
Des chercheurs de l’Université Stanford ont découvert une solution à faible coût : il suffit de décharger la batterie et de la laisser reposer pendant plusieurs heures. Cette approche simple, décrite dans une étude publiée dans la revue Nature, a permis de restaurer la capacité de la batterie et d’améliorer ses performances globales.
« Nous cherchions le moyen le plus simple, le moins cher et le plus rapide d’améliorer la durée de vie des piles au lithium métal », explique Wenbo Zhang, co-auteur principal de l’étude et étudiant en doctorat à Stanford dans le domaine de la science et de l’ingénierie des matériaux. « Nous avons découvert qu’en mettant la batterie au repos à l’état déchargé, la capacité perdue peut être récupérée et la durée de vie du cycle augmentée. Ces améliorations peuvent être réalisées simplement en reprogrammant le logiciel de gestion de la batterie, sans coût supplémentaire ni changement nécessaire au niveau de l’équipement, des matériaux ou du flux de production ».
Le lithium métallique contre la technologie lithium-ion
Une batterie lithium-ion conventionnelle est composée de deux électrodes – une anode en graphite et une cathode en oxyde de lithium métallique – séparées par un électrolyte liquide ou solide qui fait circuler les ions lithium.
Dans une batterie au lithium métallique, l’anode en graphite est remplacée par du lithium métallique électroplastique, ce qui lui permet de stocker deux fois plus d’énergie qu’une batterie lithium-ion dans le même espace.
L’anode en lithium métallique pèse également moins que l’anode en graphite, ce qui est important pour les véhicules électriques. Les batteries au lithium métallique contiennent au moins un tiers d’énergie en plus par livre que les batteries lithium-ion.
Décharge et repos
Dans des travaux précédents, Sayavong et ses collègues ont découvert que la matrice SEI commence à se dissoudre lorsque la batterie est au repos. Sur la base de cette découverte, l’équipe de Stanford a décidé de voir ce qui se passerait si la batterie était autorisée à se reposer à l’état déchargé.
« La première étape consistait à décharger complètement la batterie afin qu’il n’y ait aucun courant qui la traverse », a indiqué Wenbo Zhang. « La décharge enlève tout le lithium métallique de l’anode, de sorte qu’il ne reste que des morceaux inactifs de lithium isolé entourés par la matrice SEI ».
Applications pratiques
Le conducteur américain moyen passe environ une heure au volant chaque jour. L’idée de mettre la batterie de votre voiture au repos pendant plusieurs heures est donc réalisable.
Un véhicule électrique classique peut comporter 4 000 batteries disposées en modules contrôlés par un système de gestion de la batterie, un cerveau électronique qui surveille et contrôle les performances de la batterie. Dans une batterie lithium-métal, le système de gestion existant peut être programmé pour décharger complètement un module individuel de manière à ce qu’il ne lui reste plus aucune capacité.
Cette approche ne nécessite pas de nouvelles techniques de fabrication ou de nouveaux matériaux coûteux, a ajouté M. Zhang.
« Vous pouvez mettre en œuvre notre protocole aussi rapidement qu’il vous faut pour écrire le code du système de gestion de la batterie », a-t-il déclaré. « Nous pensons que pour certains types de batteries lithium-métal, la mise au repos à l’état déchargé peut à elle seule augmenter de manière significative la durée de vie du cycle des véhicules électriques. »
En synthèse
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’une batterie au lithium métallique ?
Une batterie au lithium métallique est une batterie où l’anode en graphite est remplacée par du lithium métallique électroplastique, ce qui lui permet de stocker deux fois plus d’énergie qu’une batterie lithium-ion dans le même espace.
Quels sont les avantages des batteries au lithium métallique ?
Les batteries au lithium métallique peuvent contenir au moins un tiers d’énergie en plus par livre que les batteries lithium-ion. De plus, elles permettent de doubler l’autonomie des véhicules électriques.
Quels sont les inconvénients des batteries au lithium métallique ?
Les batteries au lithium métallique perdent rapidement leur capacité de stockage d’énergie après relativement peu de cycles de charge et de décharge.
Comment peut-on améliorer la durée de vie des batteries au lithium métallique ?
Une solution simple et à faible coût a été découverte par des chercheurs de l’Université Stanford : il suffit de décharger la batterie et de la laisser reposer pendant plusieurs heures.
Quelles sont les implications pratiques de cette découverte ?
Les résultats de l’étude pourraient fournir aux fabricants de véhicules électriques des informations pratiques sur l’adaptation de la technologie du lithium métallique aux conditions de conduite réelles.
Références
Article : “Recovery of Isolated Lithium Through Discharged State Calendar Aging” – DOI: 10.1038/s41586-023-06992-8
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