Les batteries lithium-ion rechargeables ne durent pas éternellement. Au fil du temps, ils conservent moins de charge et finissent par se transformer de sources d'énergie en briques. Une raison : de l’hydrogène caché et fuyant, suggèrent de nouvelles recherches.
Les protons d'hydrogène indésirables remplissent les fentes moléculaires à l'extrémité positive de la batterie, laissant moins de place aux atomes de lithium chargés, ou aux ions, qui maintiennent la réactivité et aident à conduire la charge, rapportent des scientifiques le 12 septembre. Science.
La nouvelle recherche identifie un ensemble de réactions chimiques indésirables qui se produisent lorsque l'électrolyte de la batterie, censé transporter les ions lithium, libère par inadvertance de l'hydrogène dans l'extrémité positive, ou cathode. Cela « déclenche toutes sortes de problèmes » et réduit la capacité et la durée de vie de la batterie, explique Gang Wan, physicien des matériaux et chimiste à l’Université de Stanford. « Même si vous n'utilisez pas la batterie, elle perd de l'énergie. »
Les explications passées de la perte d’énergie dans les batteries se concentraient sur le mouvement des ions lithium. Certains chercheurs ont émis l’hypothèse que les atomes d’hydrogène pourraient également jouer un rôle, mais cela a été difficile à observer en raison de la petite taille et de l’omniprésence de l’hydrogène. Ainsi, Wan et ses collègues ont remplacé l’hydrogène contenu dans l’électrolyte des batteries de la taille d’une cellule par du deutérium, une variante plus lourde de l’hydrogène. Les chercheurs ont ensuite suivi le mouvement du deutérium grâce à une imagerie à rayons X et à une spectrométrie de masse de grande puissance. À l’aide des résultats et des calculs théoriques, l’équipe a montré que l’hydrogène est l’acteur « dominant » dans la perte de charge cathodique.
La recherche améliore nos connaissances sur la chimie opaque qui se déroule à l'intérieur des batteries, ce qui la rend « vraiment importante », déclare Bart Bartlett, chimiste des matériaux et des matières inorganiques à l'Université du Michigan à Ann Arbor, qui n'a pas participé à l'étude. Il suggère des voies possibles pour améliorer la durée de vie de la batterie, telles que l'ajustement de la chimie de la batterie pour éviter les réactions de l'hydrogène.
De plus, les travaux mettent en évidence un problème non reconnu dans la demande croissante de batteries à haute tension, les ingénieurs cherchant à conserver plus d’énergie dans des cellules plus petites. Les cathodes à tension plus élevée sont plus réactives et plus susceptibles d’absorber de l’hydrogène, donc plus la tension de la batterie est élevée, plus cette « protonation » ou « hydrogénation » a lieu. « C'est un compromis dont je ne pense pas que nous ayons pleinement conscience que nous faisions, ou que nous ne comprenions pas pourquoi », déclare Bartlett.
Mais, dit-il, les scientifiques n’ont évalué qu’un seul type de batterie et un seul scénario. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour comprendre dans quelle mesure les résultats s’appliquent.
Si les observations de l'équipe s'avèrent reproductibles, elles conduiront très probablement à des batteries meilleures et plus durables qui accéléreront les innovations telles que les véhicules électriques à plus longue autonomie, explique Jacqueline Edge, chercheuse et ingénieure en batteries à l'Imperial College de Londres. Simultanément, les progrès en matière de durée de vie des batteries réduiraient notre besoin d’extraire les minéraux entrant dans la composition des cellules des batteries, comme le cobalt et, bien sûr, le lithium, qui entraîne des conséquences environnementales et sociales négatives (SN : 07/05/19). Cela pourrait être une double victoire en matière de durabilité, dit-elle.
