Une batterie « tout climat » élargit la plage d’usage de -50 à 75 °C

Ty Tkacik

Malgré leur rôle en tant que l’une des formes de stockage d’énergie les plus largement utilisées, les batteries lithium-ion (Li) ont du mal à fonctionner à pleine puissance à basse température et peuvent parfois même exploser à haute température. Des chercheurs de l’université Penn State (USA) ont toutefois proposé une conception qui pourrait être la clé d’un stockage d’énergie efficace et stable dans divers climats.

Publiée dans la revue Joule, cette étude porte sur une conception de pointe de batterie Li, connue sous le nom de batterie tout climat (ACB). Les approches précédentes se sont révélées incapables d’améliorer simultanément l’efficacité à basse température et la stabilité à haute température : il y avait toujours un compromis à faire. S’appuyant sur une décennie de recherche sur les batteries, l’équipe a mis au point une nouvelle méthode de développement qui permet aux ACB d’offrir des performances stables et efficaces sur une large plage de températures.

Selon Chao-Yang Wang, professeur de génie mécanique et de génie chimique et chercheur principal du projet, les batteries au lithium n’ont jamais été conçues pour fonctionner dans le large éventail d’applications qu’elles prennent en charge aujourd’hui. À l’origine, ces dispositifs étaient conçus pour les appareils électroniques personnels fonctionnant à des températures modérées, plus précisément autour de 25 degrés Celsius (C), soit légèrement au-dessus de la température ambiante.

« Maintenant que ces batteries ont été intégrées dans les véhicules électriques, les centres de données et les systèmes à grande échelle qui peuvent atteindre des températures très élevées, cette température de fonctionnement stable est devenue un obstacle pour les fabricants », a déclaré M. Wang. « Pour continuer à améliorer la société grâce aux systèmes à grande échelle alimentés par des batteries au lithium, nous devons remédier à ce défaut de conception fondamental. »

Bien que des mécanismes externes de chauffage ou de refroidissement soient utilisés aujourd’hui pour aider à maintenir les batteries en état de fonctionnement, ces systèmes encombrants et gourmands en énergie sont inefficaces et nécessitent un entretien fréquent. Même avec une gestion externe de la température, les batteries au lithium perdent en performance à basse température et voient leur capacité et leur stabilité réduites à haute température. Elles ne fonctionnent de manière fiable qu’à des températures externes comprises entre -30 et 45 °C, ce qui limite considérablement leur utilisation dans des appareils installés dans des environnements extrêmes, comme les satellites ou les fermes solaires dans les déserts.

Pour remédier à ce problème, l’équipe a amélioré la conception traditionnelle des batteries utilisée dans les recherches précédentes sur les ACB, en proposant l’intégration d’un élément chauffant à l’intérieur d’une ACB. Cette approche novatrice optimise les matériaux utilisés dans la construction des batteries pour une stabilité et une sécurité élevées dans les environnements chauds, tout en utilisant le chauffage interne pour soutenir le fonctionnement des batteries dans les environnements froids. Selon M. Wang, cette synergie, qui s’appuie sur les observations issues des recherches existantes, permettra aux chercheurs d’éviter de compromettre la stabilité et la sécurité dans un climat pour améliorer les performances dans un autre.

« C’est l’aspect clé de notre recherche : d’autres équipes ont cherché à améliorer les performances dans les environnements chauds et froids uniquement en ajustant les matériaux utilisés », a expliqué M. Wang. « En optimisant les matériaux utilisés pour les températures élevées et en mettant en place un chauffage interne pour réchauffer la batterie, ce qui améliore à son tour les performances à basse température, vous pouvez surmonter cet obstacle thermique. »

Les chercheurs vont ajuster la composition des électrodes et des électrolytes dans l’ACB (les mécanismes qui facilitent le mouvement de l’électricité à l’intérieur) afin de mieux gérer les environnements chauds. M. Wang souligne que l’électrolyte liquide utilisé dans les batteries Li traditionnelles, bien qu’efficace, est tout simplement trop volatil pour fonctionner de manière fiable à des températures élevées. La structure de chauffage interne que l’équipe prévoit de mettre en place est composée d’une fine pellicule de nickel d’environ 10 microns d’épaisseur, soit légèrement plus que la taille d’un globule rouge, selon M. Wang. Cette structure, entièrement alimentée par la batterie, permettra au système d’autoréguler sa température, sans ajouter pratiquement aucun poids ni volume à l’ACB.

M. Wang a déclaré que cette synergie augmentera le nombre d’environnements dans lesquels les batteries peuvent fonctionner de manière fiable, élargissant leur plage de température de fonctionnement de -50 à 75 °C et permettant aux chercheurs de mettre en œuvre des ACB dans des applications qui s’avéraient auparavant irréalisables pour les batteries Li traditionnelles. Outre une polyvalence améliorée, M. Wang a expliqué comment la suppression des systèmes externes de gestion thermique offre des avantages en termes de performances.

« En intégrant la gestion thermique dans la batterie elle-même, nous réduisons considérablement l’espace occupé par les batteries, ainsi que les autres variables associées au chauffage ou au refroidissement externes », a ajouté M. Wang. « Le coût, la consommation d’énergie et les besoins en maintenance sont considérablement réduits, ce qui se traduit par des économies incroyables dans des systèmes tels que les centres de données qui utilisent des milliers de batteries Li. »

Pour l’avenir, M. Wang a déclaré que l’équipe prévoyait de déployer ses ACB. Selon lui, les ACB pourraient être encore optimisées pour fonctionner à des températures allant de 70 à 85 °C grâce à un développement et des tests appropriés, ce qui sera nécessaire pour soutenir l’échelle croissante des systèmes qui dépendent des batteries pour le stockage d’énergie.

« Notre société ne cesse de devenir de plus en plus dépendante de l’énergie, et cela ne semble pas près de s’arrêter », a conclu M. Wang. « Alors que nous continuons à développer des technologies telles que les centres de données d’intelligence artificielle ou les drones et véhicules électriques hautement avancés qui nécessitent des tonnes d’énergie, nous devrons continuer à améliorer les batteries qui les alimentent. »

Article : « All-climate battery energy storage » – DOI : 10.1016/j.joule.2025.102178

Source : PSU