Les batteries lithium-ion ont tendance à prendre feu lorsqu'elles sont endommagées, mais un simple changement de matériau électrolytique peut mettre un terme au cercle chimique vicieux à l'origine du problème.
Tests de pénétration des ongles sur une batterie commerciale (en haut) et sur une avec un électrolyte modifié (en bas)
Changer un seul des matériaux utilisés dans les batteries lithium-ion pourrait empêcher les incendies incontrôlables qui se déclarent si elles sont percées ou pliées, et la production en série de ces batteries plus sûres pourrait commencer dans les prochaines années.
Les batteries lithium-ion utilisées dans les smartphones, les ordinateurs portables et les voitures électriques comportent une électrode en graphite, une électrode en oxyde métallique et un électrolyte de sel de lithium dissous dans un solvant. L'électrolyte liquide permet aux ions de circuler dans un sens pour charger la batterie et dans l'autre sens pour libérer de l'énergie et alimenter les appareils.
Mais si cette conception est percée de telle manière qu’elle crée un court-circuit, toute l’énergie chimique stockée à l’intérieur est libérée rapidement, ce qui peut provoquer un incendie, voire une explosion.
Les chercheurs ont développé des modèles de batteries alternatifs pour prévenir de tels incendies, impliquant des gels protecteurs et même des remplacements solides de l'électrolyte liquide. Aujourd'hui, Yue Sun de l'Université chinoise de Hong Kong et ses collègues ont créé une conception sûre qui peut être construite exactement comme les batteries existantes, grâce à un changement dans le matériau de l'électrolyte.
Les incendies se produisent lorsque des ions chargés négativement, appelés anions, rompent leurs liens avec le lithium présent dans la batterie. À mesure que les liaisons se brisent, elles libèrent davantage de chaleur et maintiennent le cycle destructeur dans un processus appelé emballement thermique.
Pour contourner ce problème, les chercheurs ont créé un deuxième solvant appelé lithium bis(fluorosulfonyl)imide qui se lie au lithium du solvant existant uniquement à des températures plus élevées, lorsque l'emballement thermique commence. Contrairement au solvant habituel, les liaisons anioniques ne peuvent pas exister dans ce nouveau matériau et ne peuvent donc pas générer le cercle vicieux du dégagement de chaleur. Lorsqu'elle est percée avec un clou, la température à l'intérieur de la batterie n'augmente que de 3,5°C, alors que les batteries classiques peuvent chauffer de plus de 500°C.
« Le mauvais garçon est l'anion, qui possède beaucoup d'énergie de liaison – et ce sont ces liaisons qui se brisent qui provoquent un emballement thermique », explique Gary Leeke de l'Université de Birmingham, au Royaume-Uni. « Cela isole le mauvais garçon de ce processus. C'est un grand pas en avant en termes de sécurité des batteries. »
Lors des tests, les batteries utilisant le nouveau solvant ont conservé 82 % de leur capacité sur 4 100 heures d'utilisation, ce qui signifie qu'elles peuvent rivaliser avec la technologie actuelle.
Leeke affirme que les résultats pourraient être intégrés à la prochaine génération de batteries, puis produits en masse d’ici trois à cinq ans.
