Révolution des batteries : une nouvelle découverte réduit l'autodécharge et améliore l'autonomie des voitures électriques
Publié par L'équipe dans Actualités le 25/09/2024 à 16:46
Au-delà de l’obtention de batteries plus efficaces, l’un des défis auxquels sont confrontées les voitures électriques est de minimiser leur dégradation et de prolonger leur durée de vie utile. Plus une batterie est dégradée, plus sa capacité et donc son autonomie entre les charges sont faibles.
Cette dégradation est liée à l'usage, car la batterie est chargée et déchargée en roulant. Mais l'autodécharge est également décisive. Une nouvelle étude aurait déterminé pourquoi cela se produit, ce qui ouvrirait la voie à sa réduction.
Des batteries qui se déchargent moins lorsqu'elles ne sont pas utilisées
Lorsqu’une voiture électrique est arrêtée pendant une longue période, un mois ou plus, sa batterie finit par se décharger. Autrement dit, cette énergie est perdue même si elle n’est pas utilisée, car la batterie se décharge automatiquement.
Ce processus s'explique, selon les scientifiques du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), comme une série de réactions chimiques qui se produisent dans la batterie et provoquent une perte de performances au fil du temps, raccourcissant ainsi sa durée de vie utile. Cela affecte tout appareil doté d’une batterie électrochimique rechargeable.
"Le processus consomme lentement des matériaux fonctionnels précieux de la batterie et dépose des sous-produits indésirables à la surface des composants de la batterie. Cela conduit à une dégradation continue des performances de la batterie", explique Zonghai Chen, chimiste principal à Argonne.
Les explications concernant l’autodécharge de la batterie sont connues depuis un certain temps. Par exemple, la perte de lithium ou le dégagement d'oxygène des cathodes des cellules ont été observés. Mais une nouvelle étude publiée dans Science, signée par une équipe de recherche de plusieurs universités et laboratoires américains, dont Argonne, affirme avoir trouvé la clé de ce processus.
Cette nouvelle recherche valide un mécanisme d’hydrogénation cathodique comme cause de l’autodécharge des cellules de batterie. Rappelons que chaque cellule d’une batterie lithium-ion est composée de deux électrodes métalliques (anode et cathode) et d’un électrolyte. L'électrolyte transfère des ions (particules porteuses de charges) entre la cathode et l'anode qui stockent le lithium.
C’est ainsi qu’une batterie lithium-ion se détériore avec le temps (Source : SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford, Californie, États-Unis).
Cela a été prouvé grâce à l'analyse du fonctionnement d'une batterie au niveau moléculaire, ou plus précisément, de ses cellules et du comportement des atomes de nickel, de manganèse et de cobalt au sein de la cathode. Pour ce faire, ils l'ont analysée à l'Advanced Photon Source (APS), l'une des principales installations existantes pour les sources de lumière à rayons X à haute énergie basées sur des anneaux de stockage.
Ainsi, ils ont compris que l'autodécharge était due à "l'accumulation de protons dans la cathode chargée, déclenchée par la décomposition de l'électrolyte", expliquent-ils dans la publication. "Ce mécanisme, basé sur une réaction d'hydrogénation de surface, diffère du modèle largement accepté qui repose sur la diffusion du lithium de l'électrolyte vers la cathode."
Batteries lithium-ion plus petites, moins chères et plus efficaces
Cette nouvelle découverte peut servir de base pour améliorer les performances des batteries au lithium, en minimisant leur dégradation grâce à la réduction du taux d'autodécharge. Cela ouvre la voie à l’obtention d’une composition chimique adaptée aux matériaux cathodiques.
"En réduisant l'autodécharge, nous pouvons concevoir une batterie plus petite, plus légère et plus économique sans sacrifier les performances de la batterie en fin de vie", explique Chen.
Hormis le coût réduit, c'est précisément ce dont se vantent les batteries à semi-conducteurs, qui utilisent un électrolyte autre que le lithium (liquide) pour un électrolyte solide. Selon leurs créateurs, un appareil de taille similaire offre plus d'autonomie, des temps de recharge plus courts et moins de risques d'incendie.
Bien qu'à l'heure actuelle, ces batteries révolutionnaires ne soient installées de série dans aucune voiture, des marques comme Toyota ou Nissan les développent déjà. Cependant, leur passage à la production de masse se heurte encore à des résistances en raison de leur coût élevé, qu'ils espèrent réduire.
Mais cette nouvelle étape pour les batteries lithium-ion pourrait être une nouvelle réponse pour améliorer celles qui existaient déjà avant l’arrivée des batteries à semi-conducteurs.
