Vous êtes-vous déjà inquiété de la surchauffe de la batterie de votre téléphone ou de votre voiture ? Avec les batteries lithium-ion qui alimentent tout, des smartphones aux véhicules électriques, la sécurité est devenue une préoccupation majeure pour nous tous. Bien que ces batteries soient efficaces et durables, les résultats peuvent être catastrophiques en cas de problème.
Ce problème est devenu encore plus pressant avec l’essor des véhicules électriques : rien qu’en 2021, plus de 20 incendies ou explosions de véhicules électriques dans le monde ont été liés à des défaillances de batteries lithium-ion.
Dans une nouvelle étude publiée dans ACS Applied Materials & Interfaces, des chercheurs ont mis au point un nouveau capteur qui pourrait contribuer à prévenir ces incidents dangereux.
Des risques croissants pour la sécurité
« Les batteries au lithium-ion sont partout », explique l’auteur principal de l’étude, Liangdan Zhao, doctorant à l’université Xi’an Jiaotong-Liverpool (XJTLU), en Chine, et à l’université de Liverpool, au Royaume-Uni. « Elles alimentent tout, des smartphones aux ordinateurs portables en passant par les véhicules électriques, les applications militaires et bien plus encore. Bien qu’elles offrent une densité énergétique élevée et une longue durée de vie, elles présentent également des risques importants pour la sécurité. »
Lorsque les cellules des batteries surchauffent ou sont endommagées, des vapeurs d’électrolyte volatiles peuvent être libérées et s’enflammer, déclenchant des incendies ou des explosions. Il est donc urgent de mettre au point des capteurs de gaz qui soient non seulement très sensibles et sélectifs, mais aussi peu coûteux, faciles à intégrer et économes en énergie.
« Notre recherche est motivée par ce défi critique en matière de sécurité », explique M. Zhao. « En nous concentrant sur la détection précoce des fuites d’électrolyte, nous voulons contribuer à rendre les systèmes de gestion des batteries plus sûrs, en évitant potentiellement les défaillances catastrophiques et en améliorant la fiabilité globale des technologies alimentées par des batteries au lithium-ion. »
Détection précoce des fuites de gaz
Le nouveau capteur détecte des quantités infimes de vapeur de carbonate d’éthylène (EC) – un composant clé de l’électrolyte d’une batterie – qui peuvent signaler des défaillances potentielles de la batterie avant qu’elles ne dégénèrent en catastrophes.
Les chercheurs ont mis au point un capteur de gaz extrêmement sensible et rentable en utilisant des cadres organiques covalents (COF), des structures moléculaires qui peuvent être conçues pour détecter sélectivement des gaz spécifiques. C’est la première fois que la conception d’un capteur à base de COF, guidée par le calcul, est utilisée spécifiquement pour la détection des EC.
« Nous avons passé au crible des centaines de matériaux potentiels à l’aide de méthodes informatiques avant d’identifier COF-QA-4 comme le meilleur candidat », explique Zhao. « Il est très sensible et sélectif, ciblant le gaz nocif EC tout en ignorant les autres vapeurs. Le capteur peut détecter les fuites bien avant qu’elles ne deviennent dangereuses. »
Le capteur a démontré des performances remarquables lors d’essais en laboratoire, capable de détecter les vapeurs d’EC à des concentrations aussi faibles que 1,15 partie par million (ppm).
Renforcer la sécurité dans tous les secteurs
Les chercheurs affirment que l’impact potentiel du capteur va bien au-delà des véhicules électriques. Il pourrait également être intégré aux systèmes de gestion des batteries des appareils domestiques intelligents et aux systèmes de sécurité industrielle, afin de fournir des alertes en temps réel en cas de fuites de gaz dangereux et d’offrir un système d’alerte précoce susceptible d’éviter des accidents catastrophiques.
« En intégrant ce capteur dans les systèmes existants, les fabricants peuvent prendre des mesures proactives pour éviter les situations dangereuses », explique M. Zhao. « Cela pourrait sauver des vies et protéger des biens en détectant des défaillances potentielles bien avant qu’elles ne s’aggravent. »
Article : « Computational Screening Guiding the Development of a Covalent-Organic Framework-Based Gas Sensor for Early Detection of Lithium-Ion Battery Electrolyte Leakage » – DOI : 10.1021/acsami.4c19321
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