Les batteries lithium-ion (LiB) sont actuellement les batteries rechargeables les plus utilisées dans le monde, alimentant d'innombrables appareils électroniques portables, ainsi que des véhicules hybrides et électriques. Bien qu’elles soient connues pour présenter des avantages notables par rapport aux autres batteries rechargeables, notamment des densités d’énergie élevées, les ingénieurs ont tenté d’améliorer encore leur stabilité, leur sécurité et leur durabilité.
Des chercheurs de l’Université chinoise de Hong Kong ont récemment présenté une stratégie prometteuse pour concevoir de nouveaux électrolytes pour les LiB. En utilisant cette stratégie, décrite dans un article publié dans Énergie naturelleils ont développé un nouvel électrolyte capable d'augmenter la durabilité des LiB haute tension, tout en réduisant le risque de surchauffe et d'incendie.
« L'inspiration pour ce travail est venue d'une idée simple mais souvent négligée », a déclaré Yi-Chun Lu, auteur principal de l'article, à Issues.fr.
« La plupart des études sur les électrolytes se concentrent sur le comportement électrochimique (comment les ions se déplacent et réagissent), mais chaque réaction chimique implique également l'absorption ou la libération de chaleur, quelque chose que nous apprenons tous en chimie de base. Cela nous a fait nous demander : et si nous étudiions plutôt les réactions des batteries d'un point de vue thermique ? Après tout, la génération et l'accumulation de chaleur sont au cœur de nombreux problèmes de sécurité dans les batteries. »
Lorsque la température à l’intérieur d’une cellule LiB augmente de manière significative, la batterie peut prendre feu ou même exploser. Dans le cadre de leurs récentes études, Lu et ses collègues ont cherché à mieux comprendre comment les réactions électrochimiques sont liées à la génération de chaleur dans les batteries, car cela pourrait les aider à concevoir des batteries plus sûres et intrinsèquement stables.
« La force motrice derrière notre étude était d'aborder la sécurité thermique à ses racines chimiques », a expliqué Lu. « Dans la recherche sur les batteries, l'optimisation d'un paramètre se fait souvent au détriment d'un autre. C'est un peu comme rester en équilibre sur une balançoire : améliorer un côté fait souvent pencher l'autre. Lorsque nous visons des performances plus élevées, la sécurité est souvent compromise, et vice versa. Notre idée était de rompre avec ce compromis de longue date. »
Utiliser deux solvants pour créer des LiB plus sûrs
Pour améliorer les performances des batteries, les ingénieurs énergétiques explorent généralement les réactions chimiques entre leurs composants sous-jacents à température ambiante. En revanche, pour accroître leur sécurité, ils tentent d'empêcher les composants de réagir de manière indésirable à des températures élevées.
L'objectif principal de l'étude récente menée par Lu et ses collègues était de concevoir un électrolyte qui présenterait différents comportements à différentes températures, conservant sa stabilité à température ambiante tout en empêchant une batterie de prendre feu à des températures élevées. Pour y parvenir, ils ont mélangé deux solvants différents, des substances qui dissolvent les sels de lithium dans les LiB pour libérer des ions aux propriétés distinctes.
« À mesure que la température augmente, un solvant » transmet « l'ion lithium à l'autre, un peu comme une course de relais, permettant à la structure et à la réactivité de l'électrolyte de changer avec la température », a déclaré Lu. « Nous avons infusé cet électrolyte relais solvant dans des piles sèches commerciales et les avons comparées à des cellules utilisant des électrolytes commerciaux à base de carbonate. »
Un nouvel électrolyte thermiquement stable
En utilisant la stratégie proposée, les chercheurs ont créé un nouvel électrolyte qu’ils ont ensuite testé dans un type de cellules LiB largement utilisé, connu sous le nom de cellules à poche. Ils ont notamment constaté que les cellules résultantes présentaient d’excellentes performances électrochimiques et une excellente stabilité thermique.
Pour évaluer davantage la sécurité des cellules, Lu et ses collègues ont effectué un test de pénétration des clous, qui imite un scénario réel dans lequel une cellule de batterie pourrait être percée, provoquant potentiellement une explosion ou un incendie. Remarquablement, la température de leur batterie n’a augmenté que d’environ 3,5 °C après sa perforation, tandis que les cellules de poche commerciales dépassaient les températures de 500 °C.
« Notre travail aborde la sécurité des batteries du point de vue de l'électrolyte, qui, selon nous, recèle un grand potentiel pratique », a déclaré Lu.
« L'électrolyte que nous avons développé peut être directement infusé dans des piles sèches commerciales existantes sans repenser la structure de la batterie, ce qui le rend hautement compatible avec les processus de fabrication actuels. Nous avons démontré ses performances dans les batteries lithium-ion ternaires riches en nickel (NCM), connues pour leur haute densité énergétique mais aussi pour leur tendance à l'emballement thermique, conduisant à un incendie ou une explosion.
Ouvrir la voie à des LiB sûrs et à haute énergie
La stratégie introduite par ces chercheurs pourrait bientôt être utilisée pour concevoir d’autres électrolytes prometteurs susceptibles d’améliorer encore la stabilité thermique et la sécurité des LiB. Cela pourrait à son tour contribuer à augmenter encore la densité énergétique des LiB, prolongeant ainsi la durée de vie des batteries des véhicules électroniques et électriques, sans compromettre leur sécurité.
« En réalité, chaque composant d'une batterie (la cathode, le séparateur et l'anode) joue un rôle crucial dans la détermination de son comportement global », a ajouté Lu.
« En adaptant ces composants, nous visons à atteindre une sécurité complète sans compromettre les performances. De plus, nous élargissons notre approche au-delà des systèmes lithium-ion pour explorer le sodium-ion et d'autres chimies émergentes, où les mêmes principes de sécurité intrinsèque peuvent être appliqués.
« Notre objectif à long terme est d'établir un cadre de conception général pour des batteries sûres et à haute énergie dans différentes technologies de stockage d'énergie. »
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Sadie Harley, et vérifié et révisé par Robert Egan, cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour maintenir en vie le journalisme scientifique indépendant. Si ce reporting vous intéresse, pensez à faire un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte en guise de remerciement.
