Des scientifiques travaillant au laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL) ont développé un nouveau type de technologie de batterie à l’état solide qui pourrait doubler la densité énergétique des voitures électriques.
La distance que les véhicules électriques (VE) peuvent parcourir entre les charges, appelée leur autonomie, a été sur une courbe ascendante constante au cours de la dernière décennie, triplant de 80 miles (129 kilomètres) en 2010 à 220 miles (354 km) en 2021.
Mais leur efficacité est limitée en raison de la composition chimique des batteries lithium-ion (Li-ion) à électrolyte liquide qui alimentent actuellement les véhicules électriques et de leur poids. Comme expliqué dans Heatmap en 2023« Les batteries lithium-ion des véhicules électriques sont à la pointe de la technologie moderne en matière de batteries… Mais leur densité énergétique reste faible par rapport à celle de l’essence. Ainsi, pour offrir à une voiture une autonomie de plusieurs centaines de kilomètres, il faut installer une batterie énorme et lourde sous le véhicule. »
Une nouvelle avancée dans les batteries à l’état solide, décrite dans une étude publiée le 10 mai dans la revue Lettres d’ASC Energypourrait cependant changer tout cela.
Le principe consiste à stocker l’énergie dans des feuilles flexibles et résistantes d’électrodes à l’état solide de 30 micromètres d’épaisseur, soit environ la largeur d’un cheveu humain. Si cette technologie est développée, elle pourrait doubler la densité énergétique maximale actuelle des batteries de véhicules électriques à 500 wattheures par kilogramme, ont déclaré les scientifiques dans un communiqué.
Le problème avec les semi-conducteurs
Les batteries à l’état solide ne sont pas une idée nouvelle et les chercheurs de l’ORNL ont déjà posé les bases de leur création et de leur utilisation dans les années 1990Ils sont utilisés dans de petits formats pour alimenter des stimulateurs cardiaques, des étiquettes RFID — telles que les étiquettes de prévention des pertes utilisées dans les magasins — et des objets portables depuis de nombreuses années.
Mais lorsqu’il s’agit d’alimenter des véhicules électriques, ces technologies ne sont pas suffisamment durables ni évolutives. De plus, les polymères plastiques utilisés dans la plupart des batteries à l’état solide ont actuellement une conductivité inférieure à celle des électrolytes liquides, ce qui les rend moins performants.
Les scientifiques ont surmonté ces problèmes en utilisant un polymère pour créer un « film mince, résistant mais élastique » qui pourrait donner aux batteries à semi-conducteurs une densité énergétique beaucoup plus élevée. Cela dépasse non seulement ce qui est actuellement disponible dans les meilleures batteries à semi-conducteurs, mais aussi dans la technologie Li-ion liquide, ont déclaré les scientifiques dans le communiqué.
Les feuilles permettent de séparer les électrodes négatives et positives, évitant ainsi les courts-circuits tout en offrant des chemins de conduction élevés pour le mouvement des ions. Elles utilisent également des électrolytes solides au sulfure, qui ont un niveau de conductivité similaire aux électrolytes liquides utilisés dans les batteries Li-ion et offrent ainsi un niveau de performance similaire.
« Nous voulons minimiser le liant polymère car il ne conduit pas les ions », auteur principal de l’étude Guangyangassocié R&D chez ORNL, a déclaré dans le déclaration« La seule fonction du liant est de bloquer les particules d’électrolyte dans le film. L’utilisation d’une plus grande quantité de liant améliore la qualité du film mais réduit la conduction ionique. Inversement, l’utilisation d’une plus petite quantité de liant améliore la conduction ionique mais compromet la qualité du film. »
Une batterie EV plus performante et plus sûre
La prochaine étape pour les scientifiques sera de construire un appareil qui leur permettra de tester leurs résultats dans des conditions pratiques de batterie en laboratoire. Ils s’associeront également à des chercheurs du monde universitaire et de l’industrie pour développer des tests plus étendus.
Si la recherche conduit à la production d’une nouvelle génération de batteries pour véhicules électriques, elle pourrait non seulement donner aux voitures électriques une autonomie beaucoup plus grande, mais aussi les rendre plus sûres, ont ajouté les scientifiques dans le communiqué.
Les batteries lithium-ion sont volatiles et, bien que les incendies soient rares, elles sont hautement toxiques et difficiles à éteindre. Institution des ingénieurs en incendie (IFE), plus de 100 produits chimiques organiques sont générés lors d’un incendie de véhicule électrique, notamment du monoxyde de carbone et du cyanure d’hydrogène mortels.
Cependant, plutôt que de tenter d’éteindre l’incendie, les constructeurs automobiles recommandent aux pompiers de laisser le feu s’éteindre. Cela s’explique en partie par la quantité d’eau qui serait utilisée (environ 1 125 litres par minute), ce qui créerait un ruissellement dangereux qui pourrait pénétrer dans les réseaux d’égouts publics, selon l’IFE.
De plus, même lorsque les incendies de batteries lithium-ion semblent éteints, ils peuvent se rallumer « des heures, des jours ou même des semaines » plus tard, non pas une seule fois, mais plusieurs fois. La nouvelle technologie développée par ORNL, en revanche, est non volatile, ce qui signifie qu’il n’y aurait aucun risque de ce type dans les véhicules électriques qui l’utilisent dans une batterie à semi-conducteurs.
