Contrairement à une opinion largement répandue, des chercheurs ont découvert que les fissures dans l’électrode positive des batteries lithium-ion peuvent en réalité accélérer la charge de la batterie. Cette annonce pourrait remettre en question les stratégies actuelles de nombreux fabricants de véhicules électriques qui cherchent à minimiser les fissures pour prolonger la durée de vie de la batterie.
Le Professeur Yiyang Li, chercheur en matériaux et ingénierie à l’Université du Michigan, affirme : « Beaucoup d’entreprises cherchent à fabriquer des batteries capables de tenir un million de miles en utilisant des particules qui ne se fissurent pas. Malheureusement, si l’on supprime les fissures, les particules de la batterie ne seront pas capables de se charger rapidement sans l’aire superficielle supplémentaire offerte par ces fissures« .
Il ajoute : « Lors d’un long trajet, nous ne voulons pas attendre cinq heures pour que la voiture se charge. Nous souhaitons que cela se fasse en 15 à 30 minutes« .
Une révélation sur le rôle des particules de l’électrode
L’équipe de recherche estime que leurs découvertes s’appliquent à plus de la moitié des batteries de véhicules électriques actuellement sur le marché. Dans ces batteries, l’électrode positive, ou cathode, est composée de billions de particules microscopiques faites soit d’oxyde de lithium nickel manganèse cobalt, soit d’oxyde de lithium nickel cobalt aluminium.
La théorie conventionnelle veut que la vitesse de charge de la cathode soit déterminée par le ratio surface-volume des particules. En effet, des particules plus petites devraient se charger plus rapidement que des particules plus grandes car elles offrent une plus grande surface par rapport à leur volume, ce qui permet aux ions lithium de se diffuser plus rapidement à travers elles.
Cependant, les méthodes conventionnelles ne permettaient pas de mesurer directement les propriétés de charge des particules individuelles de la cathode. Elles ne permettaient que de mesurer la moyenne pour toutes les particules qui composent la cathode de la batterie. Cette limitation signifie que la relation largement acceptée entre la vitesse de charge et la taille des particules de la cathode n’était qu’une supposition.
Une nouvelle méthode de mesure révèle l’influence des fissures
La clef pour découvrir l’avantage potentiel des cathodes fissurées a été de mesurer la vitesse de charge des particules individuelles de la cathode. Cette tâche a été réalisée en insérant les particules dans un dispositif généralement utilisé par les neuroscientifiques pour étudier comment les cellules cérébrales individuelles transmettent des signaux électriques.
La manipulation en vidéo
La méthode innovante de Yiyang Li et de Jinhong Min, doctorant en matériaux et ingénierie a consisté à utiliser une puce spécialement conçue, équipée de jusqu’à 100 microélectrodes. Après avoir dispersé des particules de cathode au centre de la puce, le doctorant a déplacé des particules individuelles sur leurs propres électrodes sur le tableau à l’aide d’une aiguille environ 70 fois plus fine qu’un cheveu humain.
Une fois les particules en place, Jinhong Min a pu simultanément charger et décharger jusqu’à quatre particules individuelles à la fois sur le tableau. L’expérience a révélé que la vitesse de charge des particules de cathode ne dépendait pas de leur taille.
Interprétation des résultats et perspectives
Les deux scientifiques pensent que l’explication la plus probable de ce comportement inattendu est que les particules plus grandes agissent en fait comme une collection de particules plus petites lorsqu’elles se fissurent. Une autre possibilité est que les ions lithium se déplacent très rapidement dans les limites de grain – les petits espaces entre les cristaux nanométriques qui composent la particule de cathode.
Les avantages des matériaux fissurés sont importants à prendre en compte lors de la conception de batteries à longue durée de vie avec des particules monocristallines qui ne se fissurent pas. Pour se charger rapidement, ces particules peuvent devoir être plus petites que les particules de cathode fissurées actuelles.
En synthèse
Les recherches de l’Université du Michigan révèlent que les fissures, considérées comme des défauts, pourraient avoir un rôle bénéfique dans l’accélération du processus de charge des batteries lithium-ion. Cette découverte pourrait avoir des implications importantes pour la conception future des batteries de véhicules électriques et réorienter les efforts de l’industrie visant à éliminer complètement les fissures.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’une batterie lithium-ion ? Il s’agit d’un type de batterie rechargeable dans laquelle les ions lithium se déplacent de la cathode vers l’anode lors de la décharge et inversement lors de la charge.
Qu’est-ce qu’une cathode ? Dans une batterie, la cathode est l’électrode par laquelle le courant sort de la batterie lors de la décharge.
Pourquoi les fissures étaient-elles considérées comme nuisibles ? Les fissures dans les électrodes peuvent entraîner une dégradation de la batterie, réduisant ainsi sa longévité.
Qu’apporte cette nouvelle étude ? Elle remet en question l’idée préconçue que les fissures sont toujours nuisibles. En fait, elles pourraient aider à accélérer la charge des batteries en augmentant la surface active de l’électrode.
Le dispositif a été construit dans le Lurie Nanofabrication Facility et étudié au Michigan Center for Materials Characterization.
Légende illustration principale : Un réseau rectangulaire de 20 carrés vert pâle, qui sont les microélectrodes du réseau. Certains réseaux ont des fils légèrement plus foncés qui s’étendent jusqu’au bord de l’image. Chaque microélectrode munie d’un fil porte un point noir (particule de batterie). Les points noirs mouchetent également l’image, et une micro-aiguille floue située près du centre du réseau a été utilisée pour pousser les particules sur les électrodes.
Étude : Mesures directes de la diffusion du lithium indépendante de la taille et des temps de réaction dans des particules individuelles de batteries polycristallines – « Direct measurements of size-independent lithium diffusion and reaction times in individual polycrystalline battery particles » DOI : 10.1039/D3EE00953J
