Remplacer des gadgets comme des smartphones ou des ordinateurs portables simplement parce que la batterie ne tient plus la charge peut être un véritable casse-tête. Mais une nouvelle étude décrit une façon de donner une solution commune batteries lithium-ion une durée de vie beaucoup plus longue — dès leur tout premier cycle de charge.
Chargement des batteries Li-ion — qui alimentent la plupart des appareils électroniques personnels et véhicules électriques (VE) — à des températures ou des courants élevés avant qu’ils n’atteignent les étagères pourraient prolonger leur durée de vie moyenne de 50 %, ont déclaré des chercheurs dans une nouvelle étude publiée le 29 août dans la revue Joule.
Les résultats « démontrent une approche généralisable pour comprendre et optimiser cette étape cruciale de la fabrication des batteries », a déclaré le coauteur de l’étude. Steven Torrisichercheur principal au Toyota Research Institute en Californie, dans un déclaration.
Une batterie lithium-ion classique est dotée d’une électrode positive et d’une électrode négative dans une solution électrolytique contenant des ions lithium. Lorsque vous chargez la batterie, les ions lithium se déplacent vers l’électrode négative. Ensuite, lorsque vous utilisez la batterie et que vous épuisez sa charge, les ions lithium sortent de l’électrode négative et pénètrent dans l’électrode positive. Le flux d’ions dans les deux sens facilite le courant électrique qui alimente un appareil.
Une batterie lithium-ion neuve est complètement déchargée : l’électrode positive est pleine de lithium et l’électrode négative dispose de suffisamment d’espace pour que les ions lithium puissent s’y écouler. Mais lors de la première charge, une partie du lithium de la batterie reste coincée à la surface de l’électrode négative. Le lithium piégé, ainsi que d’autres composants de la solution électrolytique, font partie d’une couche appelée interphase électrolytique solide (SEI). Cette SEI enferme l’électrode négative, la protégeant des réactions secondaires qui entraînent une perte supplémentaire de lithium et réduisent ainsi la durée de vie de la batterie.
En général, les fabricants chargent d’abord la batterie lentement pour créer un SEI stable. Mais ce n’est pas toujours l’approche la plus rentable. récent études montrent que charger rapidement la batterie n’a pas forcément d’impact négatif sur la durée de vie de la batterie. De plus, plusieurs autres paramètres peuvent impacter le SEI, il n’est donc pas facile d’optimiser la première charge pour obtenir les meilleures performances de la batterie.
Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont utilisé l’apprentissage automatique pour identifier les paramètres qui ont le plus d’effet sur le SEI. Deux facteurs ont retenu leur attention : le courant et la température lors de la première charge.
Le fait de charger la batterie pendant environ 20 minutes, au lieu des 10 heures habituelles, a prolongé la durée de vie globale de la batterie d’environ 50 %. Une plus grande quantité de lithium reste coincée dans le SEI lors de la première charge, mais cela limite la possibilité de futures réactions secondaires qui peuvent réduire la durée de vie de la batterie lors des cycles suivants.
L’augmentation de la température de la pièce à 55 degrés Celsius a eu un effet similaire, améliorant la durée de vie de la batterie de 57 % en moyenne. Cette amélioration est probablement due à des changements dans la composition du SEI qui le rendent plus robuste, ont déclaré les chercheurs. Cependant, les techniques n’ont pas fonctionné en synergie : charger la cellule à la fois rapidement et à haute température n’a pas amélioré les performances de la batterie.
« Nous ne voulions pas seulement identifier la meilleure recette pour fabriquer une bonne batterie ; nous voulions comprendre comment et pourquoi elle fonctionne », a déclaré Will Chueh, co-auteur de l’étude et scientifique des matériaux à l’université de Stanford, dans le communiqué. « Cette compréhension est essentielle pour trouver le meilleur équilibre entre les performances de la batterie et l’efficacité de fabrication. »
La nouvelle stratégie pourrait également rendre les batteries moins chères, a déclaré Chueh. « C’est un excellent exemple de la façon dont (le Stanford Linear Accelerator Center) fait de la science de la fabrication pour rendre les technologies essentielles à la transition énergétique plus abordables », a-t-il noté. « Nous résolvons un véritable défi auquel l’industrie est confrontée. »
