Des scientifiques américains ont mis au point une nouvelle batterie au lithium-métal qui conserve sa fonctionnalité sur 600 cycles.
Une architecture particulièrement prometteuse pour les batteries de la prochaine génération utilise le lithium-métal pur, un matériau présentant une excellente densité d’énergie qui pourrait permettre aux véhicules électriques de parcourir de nombreuses fois plus de kilomètres avec chaque charge. Un groupe de recherche américain a fait un grand pas en avant avec cette technologie, en concevant une batterie lithium-métal de longue durée qui reste fonctionnelle pendant un nombre record de cycles de charge.
L’idée derrière ces types de batteries est de remplacer le graphite utilisé dans l’anode par du lithium métal pur, qui peut contenir jusqu’à 10 fois plus d’énergie. Décrit comme un matériau de rêve par certains chercheurs, le lithium métal est considéré comme un élément clé pour nous aider à éliminer un goulot d’étranglement dans le stockage de l’énergie, mais les scientifiques se sont heurtés à des problèmes de longévité, les versions développées jusqu’à présent tombant rapidement en panne lors de leur utilisation.
L’une des raisons de cette défaillance réside dans les réactions complexes qui se produisent autour de l’anode et qui affectent la fine pellicule qui la recouvre, appelée interphase de l’électrolyte solide (SEI). Ce film contrôle les molécules qui pénètrent dans l’anode à partir de la solution d’électrolyte, à travers laquelle les électrons vont et viennent vers et depuis l’autre électrode de la batterie, appelée cathode.
Ainsi, ce rôle de gardien confie à la SEI la responsabilité d’empêcher les réactions chimiques indésirables lors du cycle de la batterie, et c’est le mécanisme visé par les scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) du ministère américain de l’énergie dans une nouvelle étude. On pensait généralement que l’augmentation de la quantité de lithium dans l’anode était un moyen de résoudre ce problème, mais l’équipe a trouvé le succès par une autre approche.
« Beaucoup de gens ont pensé que du lithium plus épais permettrait à la batterie d’avoir un cycle plus long », explique Jie Xiao, auteur correspondant de l’article. « Mais ce n’est pas toujours vrai. Il existe une épaisseur optimisée pour chaque batterie lithium-métal en fonction de l’énergie de sa cellule et de sa conception. »
Les scientifiques ont utilisé de très fines bandes de lithium comme base de leur anode, chacune ayant une largeur de seulement 20 microns, bien plus fine qu’un cheveu humain. Cette anode a été transformée en une batterie de cellules de poche avec une densité d’énergie de 350 Wh/kg. Les meilleures batteries lithium-ion utilisées aujourd’hui ont une densité de 250 à 300 Wh/kg. Si 350 Wh/kg n’est pas un chiffre inconnu dans les cercles de recherche, il s’agit d’une nette amélioration par rapport aux technologies actuellement disponibles.
Lors des tests, l’équipe a constaté que la batterie conservait 76 % de sa capacité après un nombre record de 600 cycles. Les mêmes chercheurs avaient fait la démonstration d’une batterie au lithium expérimentale capable de fonctionner pendant 50 cycles il y a quatre ans, puis d’une autre capable de 200 cycles il y a deux ans. La version actuelle, qui bat tous les records, constitue une autre avancée majeure et, selon l’équipe, elle dure bien plus longtemps que toutes les autres batteries en cours de développement dans le cadre de projets de recherche similaires.
L’équipe attribue le succès de la conception à la manière dont les bandes plus fines facilitent un meilleur SEI et donc de meilleures interactions entre l’électrolyte et l’anode, par rapport aux bandes plus épaisses qui étouffent les réactions électrochimiques importantes. Ayant résolu un problème clé lié aux batteries au lithium métal, les auteurs espèrent continuer à améliorer la technologie par le biais d’un consortium multi-instituts connu sous le nom de Battery500, qui travaille à une densité d’énergie de 500 Wh/kg.
« Le consortium Battery500 a fait de grands progrès en augmentant la densité d’énergie et en prolongeant la durée du cycle », explique Stanley Whittingham, lauréat du prix Nobel de chimie 2019 et coauteur de l’article. « Mais il reste encore beaucoup à faire. En particulier, les batteries lithium-métal posent des problèmes de sécurité qui doivent être résolus. C’est un problème que l’équipe de Battery500 s’efforce de résoudre. »
https://www.nature.com/articles/s41560-021-00852-3
