Une nouvelle batterie conçue par des chercheurs de Harvard pourrait un jour permettre aux véhicules électriques de se recharger en seulement 10 minutes.
Des scientifiques de l’université de Harvard ont mis au point une nouvelle conception prometteuse pour une batterie expérimentale qui, selon eux, pourrait permettre aux voitures électriques de se recharger en 10 minutes seulement. L’architecture alternative offrirait également une durée de vie bien plus longue que les batteries comparables, grâce à l’utilisation d’un métal lithium haute performance et d’un électrolyte solide qui resterait stable pendant plusieurs milliers de cycles.
Les scientifiques espèrent améliorer les performances des batteries lithium-ion actuelles en remplaçant le graphite et le cuivre utilisés pour l’anode par du lithium métallique. L’anode fonctionne avec un électrolyte liquide et l’autre électrode de la batterie, la cathode, pour faire passer les ions d’un côté et de l’autre lorsque le dispositif se charge et se décharge, et l’excellente capacité et densité du lithium métal en fait un matériau intéressant à cet effet.
« Une batterie au lithium-métal est considérée comme le Saint Graal de la chimie des batteries en raison de sa capacité et de sa densité d’énergie élevées », explique Xin Li, professeur associé de science des matériaux à la John A. Paulson School of Engineering and Applied Science de Harvard. « Mais la stabilité de ces batteries a toujours été médiocre ».
Les raisons de cette faible stabilité sont de minuscules protubérances en forme d’aiguille appelées dendrites, qui se forment à la surface de l’anode en lithium métallique, se frayent un chemin dans l’électrolyte liquide et érodent les performances de la batterie, provoquant souvent un court-circuit ou un incendie.
L’utilisation d’un électrolyte solide au lieu d’un électrolyte liquide avec ses solvants volatils est l’une des façons dont les scientifiques espèrent éviter ce problème. Des groupes de recherche du MIT et de l’université australienne Deakin ont récemment proposé des solutions prometteuses. Aujourd’hui, les scientifiques de Harvard proposent un concept comparable à un sandwich BLT.
L’équipe a cherché à protéger sa batterie solide au lithium-métal de la destruction par les dendrites en la construisant à partir de différentes couches, chacune ayant un degré de stabilité différent. Celles-ci sont placées entre les deux électrodes, qui font office de pain, et comprennent un revêtement en graphite (laitue), une première couche d’électrolyte (tomate), une deuxième couche d’électrolyte (bacon) et enfin une autre couche du premier électrolyte (tomate à nouveau).
Les chercheurs comparent la conception de leur batterie à un sandwich BLT.
Il existe de légères variations dans la chimie des deux électrolytes, ce qui rend le premier sujet à la pénétration des dendrites mais plus stable avec le lithium, et le second moins stable avec le lithium mais immunisé contre les dendrites. De cette façon, la batterie n’empêche pas la formation de dendrites, mais est capable de la contrôler et de la contenir en toute sécurité, les protubérances étant bloquées par la couche « bacon » du sandwich.
« Notre stratégie consistant à incorporer l’instabilité afin de stabiliser la batterie semble contre-intuitive, mais tout comme une ancre peut guider et contrôler une vis qui s’enfonce dans un mur, notre conception multicouche peut également guider et contrôler la croissance des dendrites », explique Luhan Ye, co-auteur de l’article et étudiant diplômé à SEAS.
De plus, la batterie est capable de se guérir elle-même en remplissant les espaces créés par les dendrites. Lors des tests, l’équipe a constaté que la batterie conservait 82 % de sa capacité après 10 000 cycles, et a démontré le type de densité de courant qui pourrait un jour permettre aux véhicules électriques de se recharger en 10 à 20 minutes.
« Ce concept de preuve de concept montre que les batteries lithium-métal à l’état solide pourraient être compétitives par rapport aux batteries lithium-ion vendues dans le commerce », déclare M. Li. « Et la flexibilité et la polyvalence de notre conception multicouche la rendent potentiellement compatible avec les procédures de production de masse dans l’industrie des batteries. Le passage à l’échelle de la batterie commerciale ne sera pas facile et il reste quelques défis pratiques, mais nous pensons qu’ils seront surmontés. »
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03486-3
