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Une technique biologique vieille de plusieurs décennies révèle la clé pour prolonger la durée de vie des batteries des avions électriques

SciTechDaily

Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory ont utilisé des techniques omiques, traditionnellement utilisées en biologie, pour améliorer la longévité et l'efficacité des batteries d'avions électriques. Leur étude a révélé que des sels spécifiques dans l'électrolyte peuvent former un revêtement protecteur sur les particules de la cathode, augmentant considérablement la durée de vie de la batterie et ouvrant la voie à un vol d'essai prévu en 2025.

Une étude récente a montré qu’une solution électrolytique révolutionnaire, identifiée grâce à une technique de bioscience, a quadruplé la durée de vie des batteries utilisées dans les avions électriques.

Pour comprendre pourquoi les batteries des avions électriques perdent de leur puissance au fil du temps, on ne pense généralement pas à se tourner vers une approche utilisée depuis des décennies par les biologistes pour étudier la structure et la fonction des composants des organismes vivants. Pourtant, il s’avère que l’omique, un domaine qui a aidé les scientifiques à percer les secrets du génome humain, pourrait bientôt jouer un rôle clé pour faire du transport aérien sans carbone une réalité.

Dans une nouvelle étude publiée dans la revue Jouleune équipe de chercheurs dirigée par le Laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l'Énergie (Berkeley Lab) a utilisé des techniques omiques pour étudier les interactions complexes au sein de l'anode, de la cathode et de l'électrolyte des batteries électriques des avions. L'une des découvertes les plus importantes a été la découverte que certains sels mélangés à l'électrolyte de la batterie formaient un revêtement protecteur sur les particules de la cathode, les rendant beaucoup plus résistantes à la corrosion, améliorant ainsi la durée de vie de la batterie.

L'équipe de recherche, qui comprend des scientifiques de la Université de Californie, BerkeleyL'Université du Michigan et ses partenaires industriels ABA (Palo Alto, CA) et 24M (Cambridge, MA) ont ensuite conçu et testé une batterie d'avion électrique en utilisant leur nouvelle solution électrolytique. La batterie a montré une multiplication par quatre par rapport aux batteries conventionnelles du nombre de cycles pendant lesquels elle pouvait maintenir le rapport puissance/énergie nécessaire au vol aérien électrique. La prochaine étape du projet consistera pour l'équipe à fabriquer suffisamment de batteries (environ 100 kWh de capacité totale) pour un vol d'essai prévu en 2025.

« Les secteurs du transport lourd, notamment l’aviation, ont été sous-explorés en termes d’électrification », a déclaré Brett Helms, auteur correspondant de l’étude et scientifique senior à la Molecular Foundry du Berkeley Lab. « Notre travail redéfinit ce qui est possible, en repoussant les limites de la technologie des batteries pour permettre une décarbonisation plus poussée. »

Brett Helms et Youngmin Ko

Brett Helms, chercheur principal à la fonderie moléculaire, avec Youngmin Ko, chercheur postdoctoral, qui tient une pile bouton utilisée dans cette recherche. Crédit : Jeremy Demarteau

Le transport aérien électrique présente des défis uniques

Contrairement aux batteries de véhicules électriques, qui privilégient l’énergie durable sur de longues distances, les batteries d’avions électriques sont confrontées au défi unique de besoins en énergie élevés pour le décollage et l’atterrissage, combinés à une densité énergétique élevée pour un vol prolongé.

« Dans un véhicule électrique, on se concentre sur la diminution de la puissance au fil du temps », explique Youngmin Ko, chercheur postdoctoral à la Molecular Foundry du Berkeley Lab et auteur principal de l'étude. « Mais pour les avions, c'est la diminution de puissance qui est cruciale : la capacité à atteindre constamment une puissance élevée au décollage et à l'atterrissage. »

Selon Ko, les conceptions traditionnelles de batteries ne sont pas à la hauteur à cet égard, principalement en raison d'un manque de compréhension de ce qui se passe aux interfaces entre l'électrolyte, les anodes et les cathodes. Ko a déclaré que c'est là qu'entre en jeu l'approche omique, une méthodologie empruntée aux sciences biologiques pour déchiffrer les modèles à partir des changements de signatures chimiques dans les systèmes complexes.

« Les biologistes utilisent l’omique pour étudier la relation complexe entre des éléments tels que l’expression des gènes et ADN « Nous avons donc voulu voir si nous pouvions utiliser une approche similaire pour examiner les signatures chimiques des composants de la batterie et identifier les réactions contribuant à la perte de puissance et où elles se produisaient. »

Les chercheurs ont concentré leur analyse sur des batteries au lithium métal avec des oxydes stratifiés à haute tension et haute densité contenant du nickel, du manganèse et du cobalt. Contrairement aux recherches précédentes, qui pensaient généralement que le problème de perte de puissance résultait d'un événement survenant dans l'anode de la batterie, l'équipe a observé que la perte de puissance provenait principalement du côté de la cathode. C'est là que les particules se fissuraient et se corrodaient au fil du temps, entravant le mouvement de charge et réduisant l'efficacité de la batterie. En outre, les chercheurs ont découvert que des électrolytes spécifiques pouvaient contrôler le taux de corrosion à l'interface de la cathode.

« Ce n’était pas un résultat évident », a déclaré Ko. « Nous avons découvert que le mélange de sels dans l’électrolyte pouvait supprimer la réactivité des composés généralement réactifs. espècesqui formait un revêtement stabilisant et résistant à la corrosion. »

Après avoir développé leur nouvel électrolyte, les chercheurs l’ont testé dans une batterie haute capacité. Il a montré une excellente rétention d’énergie lors d’une mission réaliste de décollage et d’atterrissage verticaux électriques. L’équipe espère que les batteries seront produites pour le test en vol prévu en 2025 dans un prototype d’avion fabriqué par quatre partenaires eVTOL (décollage et atterrissage verticaux) d’ici la fin de l’année. Helms et Ko ont déclaré que l’équipe et leurs collaborateurs prévoient d’étendre l’utilisation de l’omique dans la recherche sur les batteries, en explorant les interactions de divers composants électrolytiques pour mieux comprendre et adapter les performances des batteries aux cas d’utilisation actuels et émergents dans les transports et le réseau.

La fonderie moléculaire est une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE au Berkeley Lab.

Ce travail a été soutenu par l'Agence des projets de recherche avancée du DOE pour l'énergie (ARPA-E) et le Bureau des sciences du DOE.

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