Ces batteries énergétiques fonctionnent bien dans des conditions de froid et de chaleur extrêmes
Ces batteries pourraient permettre aux véhicules électriques utilisés dans les climats froids de parcourir de plus grandes distances avec une seule charge
Des ingénieurs de l'université de Californie à San Diego ont mis au point des batteries lithium-ion qui fonctionnent bien à des températures glaciales et brûlantes, tout en offrant une grande quantité d'énergie. Les chercheurs ont réalisé cet exploit en mettant au point un électrolyte qui est non seulement polyvalent et robuste sur une large plage de températures, mais également compatible avec une anode et une cathode à haute énergie.
Ces batteries pourraient permettre aux véhicules électriques circulant dans des climats froids de parcourir une plus grande distance avec une seule charge ; elles pourraient également réduire le besoin de systèmes de refroidissement pour empêcher les batteries des véhicules de surchauffer dans les climats chauds, a déclaré Zheng Chen, professeur de nano-ingénierie à la Jacobs School of Engineering de l'UC San Diego et auteur principal de l'étude (image symbolique).
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Les batteries résistantes à la température sont décrites dans un article publié la semaine du 4 juillet dans Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Ces batteries pourraient permettre aux véhicules électriques circulant dans des climats froids de parcourir de plus grandes distances avec une seule charge ; elles pourraient également réduire la nécessité de systèmes de refroidissement pour empêcher les batteries des véhicules de surchauffer dans les climats chauds, a déclaré Zheng Chen, professeur de nano-ingénierie à la Jacobs School of Engineering de l'UC San Diego et auteur principal de l'étude.
"Vous avez besoin d'un fonctionnement à haute température dans des zones où la température ambiante peut atteindre les trois chiffres et où les routes sont encore plus chaudes. Dans les véhicules électriques, les batteries sont généralement placées sous le plancher, à proximité de ces routes chaudes", a expliqué M. Chen, qui est également membre de la faculté du Sustainable Power and Energy Center de l'UC San Diego. "De plus, les batteries se réchauffent simplement parce qu'elles sont parcourues par un courant pendant leur fonctionnement. Si les batteries ne peuvent pas tolérer cet échauffement à haute température, leurs performances se dégradent rapidement."
Lors des tests, les batteries de démonstration ont conservé 87,5 % et 115,9 % de leur capacité énergétique à -40 et 50 °C (-40 et 122 °F), respectivement. Elles présentaient également des efficacités coulombiennes élevées de 98,2 % et 98,7 % à ces températures, respectivement, ce qui signifie que les batteries peuvent subir davantage de cycles de charge et de décharge avant de cesser de fonctionner.
Les batteries mises au point par Chen et ses collègues sont tolérantes au froid et à la chaleur grâce à leur électrolyte. Celui-ci est constitué d'une solution liquide d'éther dibutylique mélangée à un sel de lithium. La particularité du dibutyl éther est que ses molécules se lient faiblement aux ions lithium. En d'autres termes, les molécules de l'électrolyte peuvent facilement laisser partir les ions de lithium lorsque la batterie fonctionne. Cette faible interaction moléculaire, que les chercheurs avaient découverte dans une étude précédente, améliore les performances de la batterie à des températures inférieures à zéro. De plus, l'éther dibutylique peut facilement supporter la chaleur car il reste liquide à haute température (son point d'ébullition est de 141 C, soit 286 F).
Stabilisation de la chimie du lithium-soufre
La particularité de cet électrolyte est qu'il est compatible avec une batterie au lithium-soufre, un type de batterie rechargeable dont l'anode est constituée de lithium métallique et la cathode de soufre. Les batteries au lithium-soufre sont un élément essentiel des technologies de batterie de la prochaine génération, car elles promettent des densités d'énergie plus élevées et des coûts moindres. Elles peuvent stocker jusqu'à deux fois plus d'énergie par kilogramme que les batteries lithium-ion actuelles, ce qui pourrait doubler l'autonomie des véhicules électriques sans augmenter le poids du bloc de batteries. En outre, le soufre est plus abondant et moins problématique à trouver que le cobalt utilisé dans les cathodes des batteries lithium-ion traditionnelles.
Mais les batteries lithium-soufre posent des problèmes. La cathode et l'anode sont toutes deux super réactives. Les cathodes en soufre sont si réactives qu'elles se dissolvent pendant le fonctionnement de la batterie. Ce problème s'aggrave à haute température. Quant aux anodes en lithium métal, elles ont tendance à former des structures en forme d'aiguille appelées dendrites qui peuvent percer certaines parties de la batterie et provoquer un court-circuit. En conséquence, les batteries au lithium-soufre ne durent que quelques dizaines de cycles.
"Si vous voulez une batterie à haute densité d'énergie, vous devez généralement utiliser une chimie très dure et compliquée", a déclaré Chen. "Une énergie élevée signifie que plus de réactions se produisent, ce qui signifie moins de stabilité, plus de dégradation. Fabriquer une batterie à haute énergie qui soit stable est une tâche difficile en soi - essayer de le faire sur une large plage de températures est encore plus difficile."
L'électrolyte à base d'éther dibutylique mis au point par l'équipe de l'UC San Diego permet d'éviter ces problèmes, même à haute et basse température. Les batteries qu'ils ont testées avaient une durée de vie en cycle beaucoup plus longue qu'une batterie lithium-soufre typique. "Notre électrolyte permet d'améliorer à la fois le côté cathode et le côté anode tout en offrant une conductivité et une stabilité interfaciale élevées", a déclaré Chen.
L'équipe a également conçu la cathode de soufre pour qu'elle soit plus stable en la greffant à un polymère. Cela empêche le soufre de se dissoudre dans l'électrolyte.
Les prochaines étapes consistent à mettre à l'échelle la chimie de la batterie, à l'optimiser pour qu'elle fonctionne à des températures encore plus élevées et à prolonger encore la durée du cycle.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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