Le repos améliore les performances des batteries lithium-métal
Ramener le lithium mort à la vie : une approche simple permet d'allonger la durée de vie des batteries
Les véhicules électriques de la prochaine génération pourraient fonctionner avec des batteries au lithium métal qui permettraient de parcourir de 500 à 700 miles en une seule charge, soit le double de l'autonomie des batteries lithium-ion conventionnelles qui équipent aujourd'hui les VE.
Mais la technologie du lithium métal présente de sérieux inconvénients : La batterie perd rapidement sa capacité à stocker de l'énergie après un nombre relativement faible de cycles de charge et de décharge, ce qui n'est pas du tout pratique pour les conducteurs qui s'attendent à ce que les voitures électriques rechargeables fonctionnent pendant des années.
Les scientifiques ont testé toute une série de nouveaux matériaux et de nouvelles techniques pour améliorer la durée de vie des batteries. 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 le 7 février dans la revue Nature, a permis de restaurer la capacité de la batterie et d'améliorer ses performances globales.
"Nous cherchions le moyen le plus simple, le moins cher et le plus rapide d'améliorer la durée de vie des batteries au lithium métal", explique Wenbo Zhang, co-auteur principal de l'étude et étudiant en doctorat à Stanford dans le domaine de la science et de l'ingénierie des matériaux. "Nous avons découvert qu'en laissant reposer la batterie à l'état déchargé, la capacité perdue peut être récupérée et la durée de vie du cycle augmentée. Ces améliorations peuvent être réalisées simplement en reprogrammant le logiciel de gestion de la batterie, sans coût supplémentaire ni changement nécessaire au niveau de l'équipement, des matériaux ou du flux de production".
Les résultats de l'étude pourraient fournir aux fabricants de VE des indications pratiques sur l'adaptation de la technologie lithium métal aux conditions de conduite réelles, a déclaré l'auteur principal Yi Cui, professeur fondateur Fortinet de science et d'ingénierie des matériaux à l'école d'ingénierie, et professeur d'énergie et d'ingénierie à l'école Doerr de développement durable de Stanford.
"Les batteries au lithium métal ont fait l'objet de nombreuses recherches", a déclaré Yi Cui. "Nos résultats peuvent aider à orienter les études futures qui contribueront à faire progresser les batteries lithium-métal vers une adaptation commerciale généralisée."
Technologie lithium métal contre lithium-ion
Une batterie lithium-ion classique se compose de deux électrodes - une anode en graphite et une cathode en oxyde de lithium métal - 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 électrodéposé, ce qui lui permet de stocker deux fois plus d'énergie qu'une batterie lithium-ion dans le même espace. L'anode en lithium métal pèse également moins que l'anode en graphite, ce qui est important pour les VE. Les batteries au lithium métal peuvent contenir au moins un tiers d'énergie en plus par livre que les batteries au lithium-ion.
"Une voiture équipée d'une batterie lithium-métal aurait une autonomie deux fois supérieure à celle d'un véhicule lithium-ion de même taille - 600 miles par charge contre 300 miles, par exemple", a déclaré Philaphon Sayavong, co-auteur principal et étudiant en doctorat de chimie. "Dans les VE, l'objectif est de conserver une 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 qui hésitent à acheter des VE. Malheureusement, les charges et décharges continues entraînent une dégradation rapide des batteries lithium-métal, ce qui les rend inutilisables pour la conduite courante. Lorsque la batterie est déchargée, des morceaux de lithium métal de la taille d'un micron sont isolés et se retrouvent piégés dans l'interphase électrolytique solide (SEI), une matrice spongieuse qui se forme à la jonction de l'anode et de l'électrolyte.
"La matrice SEI est essentiellement de l'électrolyte décomposé", explique M. Zhang. "Elle entoure des morceaux isolés de lithium métal arrachés à l'anode et les empêche de participer à toute réaction électrochimique. C'est pourquoi nous considérons que le lithium isolé est mort".
Les charges et décharges répétées entraînent l'accumulation de lithium mort supplémentaire, ce qui fait perdre rapidement de la capacité à la batterie. "Un véhicule électrique équipé d'une batterie lithium-métal de pointe perdrait de l'autonomie beaucoup plus rapidement qu'un véhicule électrique alimenté par une batterie lithium-ion", a déclaré M. Zhang.
Décharge et repos
Dans des travaux antérieurs, Sayavong et ses collègues ont découvert que la matrice SEI commence à se dissoudre lorsque la batterie est au repos. Sur la base de cette découverte, l'équipe de Stanford a décidé de voir ce qui se passerait si l'on laissait la batterie se reposer pendant qu'elle était déchargée.
"La première étape a consisté à décharger complètement la batterie afin qu'elle ne soit plus traversée par aucun courant", explique Zhang. "La décharge élimine tout le lithium métallique de l'anode, de sorte qu'il ne reste plus que des morceaux inactifs de lithium isolé entourés par la matrice SEI.
L'étape suivante consistait à laisser la batterie au repos.
"Nous avons découvert que si la batterie reste déchargée pendant seulement une heure, une partie de la matrice SEI entourant le lithium mort se dissout", explique M. Sayavong. "Ainsi, lorsque vous rechargez la batterie, le lithium mort se reconnecte à l'anode, car il y a moins de masse solide qui l'entrave.
La reconnexion avec l'anode ramène le lithium mort à la vie, ce qui permet à la batterie de produire plus d'énergie et d'allonger sa durée de vie.
"Auparavant, nous pensions que cette perte d'énergie était irréversible", explique M. Cui. "Mais notre étude a montré qu'il était possible de récupérer la capacité perdue simplement en mettant la batterie déchargée au repos.
En utilisant la microscopie vidéo en accéléré, 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 mettre la batterie de sa voiture au repos 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 la batterie, un cerveau électronique qui surveille et contrôle les performances de la batterie. Dans une batterie lithium-métal, le système de gestion existant peut être programmé pour décharger complètement un module individuel de manière à ce qu'il ne lui reste plus aucune capacité.
Cette approche ne nécessite pas de nouvelles techniques de fabrication ou de nouveaux matériaux coûteux, a ajouté M. Zhang.
"Vous pouvez mettre en œuvre notre protocole aussi rapidement qu'il vous faut pour écrire le code du système de gestion de la batterie", a-t-il déclaré. "Nous pensons que pour certains types de batteries lithium-métal, la mise au repos à l'état déchargé peut à elle seule augmenter de manière significative la durée de vie du cycle des véhicules électriques.
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.
Publication originale
Wenbo Zhang, Philaphon Sayavong, Xin Xiao, Solomon T. Oyakhire, Sanzeeda Baig Shuchi, Rafael A. Vilá, David T. Boyle, Sang Cheol Kim, Mun Sek Kim, Sarah E. Holmes, Yusheng Ye, Donglin Li, Stacey F. Bent, Yi Cui; "Recovery of isolated lithium through discharged state calendar ageing"; Nature, Volume 626, 2024-2-7
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