Une percée dans le domaine des batteries est très prometteuse pour les performances des futurs véhicules électriques.
Des scientifiques qui expérimentent les composants clés des batteries au lithium ont mis au point une nouvelle conception prometteuse qui pourrait un jour permettre aux véhicules électriques de se recharger beaucoup plus rapidement et de doubler leur autonomie. Cette avancée repose sur une nouvelle électrode plus épaisse, composée de couches empilées verticalement, qui facilite le transport des ions de lithium.
Dirigés par des scientifiques de l’université du Texas à Austin, ces travaux ont été réalisés dans le but de mettre au point des systèmes de stockage d’énergie de grande puissance qui pourraient être utilisés dans les véhicules électriques du futur. Une approche de ce type de conception consiste à utiliser des couches empilées de matériaux bidimensionnels très fins pour former les électrodes de la batterie, mais cette méthode a ses limites.
Des électrodes plus épaisses peuvent signifier un plus grand potentiel de stockage d’énergie, mais elles signifient aussi plus de terrain à couvrir pour les ions de lithium. Des couches de matériaux d’électrode alignées horizontalement obligent les ions à serpenter d’avant en arrière lorsqu’ils sortent et entrent dans les électrodes, ce qui ralentit le temps de charge.
« Les matériaux bidimensionnels sont généralement considérés comme des candidats prometteurs pour les applications de stockage d’énergie à haut débit, car il suffit de quelques nanomètres d’épaisseur pour que le transport de la charge soit rapide », explique Guihua Yu, auteur de l’étude. « Cependant, pour les batteries haute énergie de nouvelle génération basées sur la conception d’électrodes épaisses, le ré-empilement des nanofeuilles en tant que blocs de construction peut provoquer des goulots d’étranglement importants dans le transport de la charge, ce qui entraîne des difficultés pour atteindre à la fois une énergie élevée et une charge rapide. »
Impression d’artiste d’une nouvelle électrode de batterie
Pour obtenir à la fois une énergie élevée et une charge rapide, les scientifiques ont trouvé une nouvelle façon d’assembler les fines couches de matériau d’électrode. Cette avancée est due à l’utilisation de champs magnétiques pour manipuler avec soin l’orientation de ces couches, en les disposant en piles verticales plutôt qu’horizontales comme c’est le cas habituellement. Cela a eu pour effet de créer des « voies efficaces pour le transport de masse » des ions à travers l’électrode.
« Notre électrode présente des performances électrochimiques supérieures, en partie grâce à sa grande résistance mécanique, à sa conductivité électrique élevée et à son transport facilité des ions lithium grâce à l’architecture unique que nous avons conçue », a déclaré Zhengyu Ju, auteur de l’étude.
Les électrodes de l’équipe ont largement dépassé les performances des électrodes commerciales, et d’une autre batterie expérimentale avec des couches d’électrodes empilées horizontalement que l’équipe a utilisée comme contrôle. L’électrode empilée verticalement a pu être rechargée à 50 % de sa capacité en 30 minutes, alors que l’électrode empilée horizontalement a mis 2 heures et 30 minutes pour atteindre le même niveau de charge.
Les chercheurs affirment que leur électrode dense et épaisse offre certains des meilleurs chiffres de capacité « rapportés dans la littérature », et pensent qu’elle pourrait conduire à des véhicules électriques avec une autonomie deux fois supérieure à celle offerte par les électrodes de batterie disponibles dans le commerce. Il reste encore beaucoup de travail à faire pour que cela se concrétise, l’équipe soulignant qu’il s’agit d’un début et qu’elle n’a appliqué la technique qu’à un seul type d’électrode de batterie. Elle estime toutefois qu’il pourrait s’agir d’une « méthodologie potentiellement universelle ».
