Les nano-ingénieurs de l’université de Californie à San Diego ont mis au point un dispositif de sécurité qui empêche les piles au lithium métal de se réchauffer rapidement et de prendre feu en cas de court-circuit interne.
L’équipe a apporté une modification intelligente à la partie de la batterie appelée séparateur, qui sert de barrière entre l’anode et la cathode, de manière à ralentir le flux d’énergie (et donc de chaleur) qui s’accumule à l’intérieur de la batterie en cas de court-circuit.
Les chercheurs, dirigés par Ping Liu, professeur de nano-ingénierie à l’université de San Diego, et son doctorant Matthew Gonzalez, détaillent leurs travaux dans un article publié dans Advanced Materials.
« Nous n’essayons pas d’empêcher les pannes de batterie de se produire. Nous la rendons beaucoup plus sûre afin que lorsqu’elle tombe en panne, la batterie ne prenne pas feu ou n’explose pas de manière catastrophique« , a déclaré Matthew Gonzalez, qui est le premier auteur de l’article.
Les batteries au lithium métal tombent en panne à cause de la croissance de structures en forme d’aiguilles appelées dendrites sur l’anode après des charges répétées. Avec le temps, les dendrites se développent suffisamment pour percer le séparateur et créer un pont entre l’anode et la cathode, provoquant un court-circuit interne. Lorsque cela se produit, le flux d’électrons entre les deux électrodes devient incontrôlable, ce qui provoque une surchauffe instantanée de la batterie et son arrêt de fonctionnement.
Le séparateur que l’équipe de l’UC San Diego a mis au point adoucit essentiellement ce coup. Une face est recouverte d’une fine toile partiellement conductrice de nanotubes de carbone qui intercepte toute dendrite qui se forme. Lorsqu’une dendrite perfore le séparateur et frappe cette toile, les électrons disposent désormais d’un chemin par lequel ils peuvent s’écouler lentement plutôt que de se précipiter d’un seul coup vers la cathode.
M. Gonzalez a comparé le nouveau séparateur de batterie à un déversoir de barrage.
« Lorsqu’un barrage commence à céder, un déversoir est ouvert pour laisser s’écouler une partie de l’eau de manière contrôlée, de sorte que lorsque le barrage cède et se déverse, il ne reste plus beaucoup d’eau pour provoquer une inondation« , a-t-il déclaré. « C’est l’idée de notre séparateur. Nous évacuons la charge beaucoup, beaucoup plus lentement et empêchons une « inondation » d’électrons vers la cathode. Lorsqu’une dendrite est interceptée par la couche conductrice du séparateur, la batterie peut commencer à se décharger d’elle-même, de sorte que lorsqu’elle court, il ne reste plus assez d’énergie pour être dangereuse« .
D’autres efforts de recherche sur les batteries se concentrent sur la construction de séparateurs à partir de matériaux suffisamment solides pour empêcher les dendrites de percer. Mais le problème avec cette approche est qu’elle ne fait que prolonger l’inévitable, a déclaré M. Gonzalez. Ces séparateurs doivent encore avoir des pores qui laissent passer les ions pour que la batterie fonctionne. Par conséquent, lorsque les dendrites finiront par passer, le court-circuit sera encore pire.
Plutôt que de bloquer les dendrites, l’équipe de l’UC San Diego a cherché à en atténuer les effets.
Lors de tests, les batteries au lithium métal équipées du nouveau séparateur ont montré des signes de défaillance progressive sur 20 à 30 cycles. Pendant ce temps, les batteries équipées d’un séparateur normal (et légèrement plus épais) ont connu une défaillance brutale en un seul cycle.
« Dans un scénario d’utilisation réelle, vous n’auriez pas d’avertissement préalable que la batterie va tomber en panne. Elle pourrait être en bon état une seconde, puis prendre feu ou s’éteindre complètement la suivante. C’est imprévisible« , a déclaré M. Gonzalez. « Mais avec notre séparateur, vous seriez averti à l’avance que la batterie va un peu plus mal, un peu plus mal, un peu plus mal, à chaque fois que vous la chargez. »
Bien que cette étude se soit concentrée sur les batteries au lithium métal, les chercheurs affirment que le séparateur peut également fonctionner dans les batteries au lithium ion et autres produits chimiques. L’équipe travaillera à l’optimisation du séparateur en vue d’une utilisation commerciale. Un brevet provisoire a été déposé par l’Université de Californie à San Diego.
