Des chercheurs de l’Université de Stanford ont découvert que laisser les batteries au lithium métal dans un état déchargé peut restaurer considérablement leur capacité et prolonger leur durée de vie. Cette méthode, à la fois peu coûteuse et simple à mettre en œuvre, pourrait doubler l’autonomie des véhicules électriques sans nécessiter de nouvelles techniques de fabrication ou de nouveaux matériaux. Crédit : Issues.fr.com
La percée de Stanford dans la technologie des batteries au lithium métal promet d’étendre l’autonomie des véhicules électriques et la durée de vie des batteries grâce à un protocole de repos simple, améliorant ainsi la viabilité commerciale.
Les véhicules électriques de nouvelle génération pourraient fonctionner avec des batteries au lithium métal qui parcourent de 500 à 700 miles avec une seule charge, soit deux fois l’autonomie des batteries lithium-ion conventionnelles des véhicules électriques d’aujourd’hui.
Mais la technologie du lithium métal présente de sérieux inconvénients : la batterie perd rapidement sa capacité à stocker de l’énergie après relativement peu de cycles de charge et de décharge, ce qui est très peu pratique pour les conducteurs qui s’attendent à ce que les voitures électriques rechargeables fonctionnent pendant des années.
Les scientifiques ont testé une variété de nouveaux matériaux et techniques pour améliorer la durée de vie de la batterie. Aujourd’hui, des chercheurs de l’Université de Stanford ont découvert une solution peu coûteuse : il suffit de vider la batterie et de la laisser reposer pendant plusieurs heures. Cette approche simple, décrite dans une étude publiée aujourd’hui (7 février) dans la revue Naturerestauré la capacité de la batterie et amélioré les performances globales.
«Nous recherchions le moyen le plus simple, le moins cher et le plus rapide d’améliorer la durée de vie du cycle du lithium métal», a déclaré Wenbo Zhang, co-auteur principal de l’étude, doctorant en science et ingénierie des matériaux à Stanford. « Nous avons découvert qu’en laissant la batterie déchargée, la capacité perdue peut être récupérée et la durée de vie augmentée. Ces améliorations peuvent être réalisées simplement en reprogrammant le logiciel de gestion de la batterie, sans frais supplémentaires ni modifications nécessaires pour l’équipement, les matériaux ou le flux de production.
Les résultats de l’étude pourraient fournir aux fabricants de véhicules électriques des informations pratiques sur l’adaptation de la technologie du lithium métal aux conditions de conduite réelles, a déclaré l’auteur principal Yi Cui, professeur fondateur de Fortinet de science et d’ingénierie des matériaux à l’École d’ingénierie et professeur d’énergie et d’ingénierie. à la Stanford Doerr School of Sustainability.
« Les batteries au lithium métal ont fait l’objet de nombreuses recherches », a déclaré Cui. « Nos résultats peuvent aider à orienter les futures études qui contribueront à l’avancement des batteries au lithium métal vers une adaptation commerciale généralisée. »
Technologie lithium métal vs lithium-ion
Une batterie lithium-ion conventionnelle se compose de deux électrodes – une anode en graphite et une cathode en oxyde métallique de lithium – séparées par un électrolyte liquide ou solide qui fait la navette entre les ions lithium.
Dans une batterie au lithium métal, l’anode en graphite est remplacée par du lithium métal galvanisé, ce qui lui permet de stocker deux fois l’énergie d’une batterie lithium-ion dans le même espace. L’anode en lithium métallique pèse également moins que l’anode en graphite, ce qui est important pour les véhicules électriques. Les batteries au lithium métal peuvent contenir au moins un tiers d’énergie en plus par livre que le lithium-ion.
« Une voiture équipée d’une batterie au lithium métal aurait deux fois l’autonomie d’un véhicule lithium-ion de taille égale – 600 miles par charge contre 300 miles, par exemple », a déclaré le co-auteur principal Philaphon Sayavong, doctorant en chimie. « Dans les véhicules électriques, l’objectif est de maintenir la batterie aussi légère que possible tout en augmentant l’autonomie du véhicule. »
Doubler l’autonomie pourrait éliminer l’anxiété liée à l’autonomie chez les conducteurs réticents à acheter des véhicules électriques. Malheureusement, la charge et la décharge continues entraînent une dégradation rapide des batteries au lithium métal, les rendant inutiles pour la conduite de routine. Lorsque la batterie est déchargée, des morceaux de lithium métallique de la taille d’un micron s’isole et se retrouvent piégés dans l’interphase d’électrolyte solide (SEI), une matrice spongieuse qui se forme à l’endroit où l’anode et l’électrolyte se rencontrent.
« La matrice SEI est essentiellement un électrolyte décomposé », a expliqué Zhang. «Il entoure des morceaux isolés de lithium métallique retirés de l’anode et les empêche de participer à des réactions électrochimiques. Pour cette raison, nous considérons le lithium isolé comme mort.
Des charges et décharges répétées entraînent une accumulation de lithium mort supplémentaire, entraînant une perte rapide de capacité de la batterie. « Un véhicule électrique équipé d’une batterie lithium-métal de pointe perdrait son autonomie beaucoup plus rapidement qu’un véhicule électrique alimenté par une batterie lithium-ion », a déclaré Zhang.
Décharge et repos
Lors de travaux antérieurs, Sayavong et ses collègues ont découvert que la matrice SEI commence à se dissoudre lorsque la batterie est inactive. Sur la base de cette découverte, l’équipe de Stanford a décidé de voir ce qui se passerait si la batterie était laissée au repos alors qu’elle était déchargée.
« La première étape consistait à décharger complètement la batterie afin qu’aucun courant ne la traverse », a déclaré Zhang. « La décharge supprime tout le lithium métallique de l’anode, il ne vous reste donc que des morceaux inactifs de lithium isolé entourés par la matrice SEI. »
L’étape suivante consistait à laisser la batterie inutilisée.
« Nous avons constaté que si la batterie reste déchargée pendant seulement une heure, une partie de la matrice SEI entourant le lithium mort se dissout », a déclaré Sayavong. « Ainsi, lorsque vous rechargez la batterie, le lithium mort se reconnectera à l’anode, car il y a moins de masse solide qui gêne. »
La reconnexion à l’anode redonne vie au lithium mort, permettant à la batterie de générer plus d’énergie et de prolonger sa durée de vie.
« Auparavant, nous pensions que cette perte d’énergie était irréversible », a déclaré Cui. « Mais notre étude a montré que nous pouvons récupérer la capacité perdue simplement en mettant la batterie déchargée au repos. »
À l’aide de la microscopie vidéo accélérée, les chercheurs ont confirmé visuellement la désintégration du SEI résiduel et la récupération ultérieure du lithium mort pendant la phase de repos.
Applications pratiques
Le conducteur américain moyen passe environ une heure au volant chaque jour, l’idée de laisser reposer la batterie de votre voiture pendant plusieurs heures est donc réalisable.
Un véhicule électrique typique peut comporter 4 000 batteries disposées en modules contrôlés par un système de gestion de batterie, un cerveau électronique qui surveille et contrôle les performances de la batterie. Dans une batterie au lithium métal, le système de gestion existant peut être programmé pour décharger complètement un module individuel afin qu’il ne lui reste plus de capacité.
Cette approche ne nécessite pas de nouvelles techniques de fabrication ou de nouveaux matériaux coûteux, a ajouté Zhang.
« Vous pouvez mettre en œuvre notre protocole aussi vite qu’il vous faut pour écrire le code du système de gestion de la batterie », a-t-il déclaré. « Nous pensons que dans certains types de batteries au lithium métal, le seul repos à l’état déchargé peut augmenter considérablement la durée de vie du véhicule électrique. »
Yi Cui est également professeur de photon scientifique au SLAC National Accelerator Laboratory, directeur du Sustainability Accelerator à la Stanford Doerr School of Sustainability et codirecteur de l’Initiative StorageX au Stanford Precourt Institute for Energy. Les autres co-auteurs de Stanford sont le professeur Stacey F. Bent et les étudiants diplômés Xin Xiao, Solomon T. Oyakhire, Sanzeeda Baig Shuchi, Rafael A. Vilá, David T. Boyle, Sang Cheol Kim, Mun Sek Kim, Sarah E. Holmes, Yusheng. Oui, et Donglin Li.
Le financement a été fourni par le programme de recherche sur les matériaux pour batteries du Département américain de l’énergie et le consortium Battery500 ; les bourses de la Fondation Ford de l’Académie nationale des sciences ; le programme de bourses de recherche pour les cycles supérieurs de la National Science Foundation ; et les programmes Enhancing Diversity in Graduate Education (EDGE) et Knight-Hennessy Scholars à Stanford.
