Dans une étude récemment publiée, nous décrivons notre conception des batteries rechargeables auto-extinctrices. Elle remplace l’électrolyte le plus couramment utilisé, qui est hautement combustible – un milieu composé d’un sel de lithium et d’un solvant organique – par des matériaux que l’on trouve dans un extincteur commercial.
L’électrolyte permet aux ions lithium porteurs d’une charge électrique de se déplacer à travers un séparateur situé entre les bornes positive et négative d’une batterie lithium-ion. En modifiant des liquides de refroidissement commerciaux abordables pour qu’ils fonctionnent comme des électrolytes de batterie, nous avons pu produire une batterie qui éteint son propre feu.
Notre électrolyte a bien fonctionné dans une large gamme de températures, allant de moins 100 à 175 degrés Fahrenheit (moins 75 à 80 degrés Celsius). Les piles que nous avons fabriquées en laboratoire avec cet électrolyte ont très bien transféré la chaleur à l’extérieur de la pile et ont éteint efficacement les incendies internes.
Nous avons soumis ces batteries au test de pénétration d’un clou, une méthode courante pour évaluer la sécurité des batteries lithium-ion. L’enfoncement d’un clou en acier inoxydable dans une batterie chargée simule un court-circuit interne ; si la batterie prend feu, elle échoue au test. Lorsque nous avons enfoncé un clou dans nos batteries chargées, celles-ci ont résisté à l’impact sans prendre feu.
Pourquoi c’est important
Par nature, la température d’une batterie varie au fur et à mesure qu’elle se charge et se décharge, en raison de la résistance interne, c’est-à-dire de l’opposition au flux d’ions lithium à l’intérieur de la batterie. Des températures extérieures élevées ou des températures inégales à l’intérieur d’une batterie menacent sérieusement la sécurité et la durabilité des batteries.
Les batteries à haute densité énergétique, telles que les versions lithium-ion largement utilisées dans l’électronique et les véhicules électriques, contiennent une formulation d’électrolyte dominée par des molécules organiques hautement inflammables. Cela aggrave le risque d’emballement thermique, un processus incontrôlable dans lequel l’excès de chaleur à l’intérieur d’une batterie accélère des réactions chimiques indésirables qui dégagent davantage de chaleur, déclenchant d’autres réactions. La température à l’intérieur de la batterie peut augmenter de plusieurs centaines de degrés en une seconde, provoquant un incendie ou une explosion.
Un autre problème de sécurité se pose lorsque les batteries lithium-ion sont chargées trop rapidement. Cela peut provoquer des réactions chimiques qui produisent des aiguilles de lithium très pointues appelées dendrites sur l’anode de la batterie – l’électrode avec une charge négative. Les aiguilles finissent par pénétrer le séparateur et atteindre l’autre électrode, ce qui provoque un court-circuit interne de la batterie et une surchauffe.
En tant que scientifiques étudiant la production, le stockage et la conversion de l’énergie, nous avons tout intérêt à développer des batteries sûres et à forte densité énergétique. Le remplacement des électrolytes inflammables par un électrolyte ignifuge peut rendre les batteries lithium-ion plus sûres et permettre de gagner du temps pour des améliorations à plus long terme qui réduiront les risques inhérents de surchauffe et d’emballement thermique.
Comment nous avons travaillé
Nous voulions mettre au point un électrolyte ininflammable, capable de transférer facilement la chaleur hors du bloc-batterie, de fonctionner dans une large gamme de températures, très durable et compatible avec toutes les compositions chimiques des batteries. Cependant, la plupart des solvants organiques ininflammables connus contiennent du fluor et du phosphore, qui sont coûteux et peuvent avoir des effets néfastes sur l’environnement.
Au lieu de cela, nous nous sommes attachés à adapter des liquides de refroidissement commerciaux abordables qui étaient déjà largement utilisés dans les extincteurs, les tests électroniques et les applications de nettoyage, de manière à ce qu’ils puissent fonctionner comme électrolytes de batterie.
Nous nous sommes concentrés sur un fluide commercial mature, sûr et abordable appelé Novec 7300, qui présente une faible toxicité, est ininflammable et ne contribue pas au réchauffement de la planète. En combinant ce fluide avec plusieurs autres produits chimiques qui ajoutent à la durabilité, nous avons pu produire un électrolyte qui présentait les caractéristiques que nous recherchions et qui permettrait à une batterie de se charger et de se décharger pendant une année entière sans perdre de capacité significative.
Ce que l’on ne sait pas encore
Le lithium – un métal alcalin – étant rare dans la croûte terrestre, il est important d’étudier les performances des piles utilisant d’autres ions de métaux alcalins plus abondants, tels que le potassium ou le sodium. C’est pourquoi notre étude s’est principalement concentrée sur les batteries potassium-ion auto-extinguibles, bien qu’elle ait également montré que notre électrolyte fonctionne bien pour fabriquer des batteries lithium-ion auto-extinguibles.
Il reste à voir si notre électrolyte peut fonctionner aussi bien pour d’autres types de batteries en cours de développement, telles que les batteries sodium-ion, aluminium-ion et zinc-ion. Notre objectif est de développer des batteries pratiques, écologiques et durables, quel que soit leur type d’ion.
Pour l’instant, cependant, comme notre électrolyte alternatif a des propriétés physiques similaires à celles des électrolytes actuellement utilisés, il peut être facilement intégré dans les lignes de production de batteries actuelles. Si l’industrie l’adopte, nous pensons que les entreprises seront en mesure de fabriquer des batteries ininflammables en utilisant leurs installations de batteries lithium-ion existantes.
Légende illustration : Vue en coupe d’un véhicule électrique Nissan Leaf montrant une partie de son réseau de batteries (boîtes argentées). Tennen-gas/Wikipedia, CC BY-SA
La note de recherche est une brève présentation d’un travail universitaire intéressant. CC. Cet article est une traduction de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l’article original.
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