La peau, inspirée des mammifères, transpire pour maintenir les batteries à une température optimale.
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Les batteries lithium-ion sont très efficaces, dissipant moins de 10 % de leur énergie sous forme de chaleur en fonctionnement. Cependant, elles nécessitent des systèmes de gestion thermique pour réguler cette chaleur, car celle-ci peut nuire à leurs performances et à leur durée de vie. À l'inverse, leur cousin électrochimique beaucoup moins efficace, le corps humain, génère suffisamment de chaleur pour faire bouillir plus de 100 tasses de thé par jour, et ce, sans effort particulier.
Le secret ? Notre peau et sa capacité à transpirer. Une équipe de chercheurs de l’Université de la Ville de Hong Kong a peut-être trouvé un moyen de doter les batteries de cette propriété grâce à une membrane de refroidissement adaptative en nanocomposites inspirée de la peau.
La gestion thermique des batteries lithium-ion existe depuis l'invention de ces batteries. Malgré leur haute efficacité, ces batteries perdent une partie de leur énergie sous forme de chaleur lors de la conversion entre énergie électrique et énergie chimique pendant les cycles de charge et de décharge. Sans une gestion adéquate, la chaleur dissipée peut dégrader la batterie et réduire sa durée de vie. Dans les cas les plus graves, elle peut provoquer un emballement thermique, une réaction en chaîne dangereuse pouvant entraîner un incendie ou une explosion.
Il n'est donc pas surprenant que pratiquement tous les systèmes alimentés par des batteries lithium-ion, de l'appareil que vous tenez actuellement entre vos mains aux véhicules électriques, intègrent une forme ou une autre de gestion thermique. Au fil des ans, les ingénieurs ont développé des ventilateurs, des dissipateurs thermiques, des circuits de refroidissement liquide, des matériaux à changement de phase et d'autres technologies pour maintenir la température des cellules dans des limites de fonctionnement sûres. Ces méthodes ont prouvé leur efficacité. Cependant, elles sont souvent complexes et nécessitent presque toujours un espace et une énergie supplémentaires.
S'inspirant du système de refroidissement naturel souvent négligé mais très efficace qu'est la peau des mammifères, l'équipe de chercheurs a développé une membrane de refroidissement qui « transpire » comme alternative aux systèmes de gestion thermique conventionnels.
La membrane libère et absorbe l'humidité selon les besoins.
« Nous avons constaté que la transpiration contribue à maintenir une température corporelle relativement stable, même lors d'efforts intenses. C'est un phénomène simple, mais il témoigne d'une capacité de thermorégulation extrêmement efficace, fruit de l'évolution. Nous nous sommes alors demandé : pouvons-nous transposer ce principe de transpiration et d'évaporation à la gestion thermique des appareils et batteries haute puissance, de manière contrôlée et facile à mettre en œuvre ? », explique le Dr Zengguang Sui, membre de l'équipe de recherche.
La membrane, qui enveloppe la batterie comme une peau, est un matériau composite comprenant du chlorure de lithium (LiCl), de l'oxyde de graphène (GO) et de la fibre de carbone active (ACF), le tout enfermé dans une membrane poreuse en PTFE et soutenu par un cadre en cuivre.
Les différents composants de la membrane
C'est un peu long à dire, mais chaque élément joue un rôle crucial. Examinons-les un par un.
Le LiCl est un sel très hygroscopique qui absorbe et libère efficacement l'eau. Lorsque la batterie est froide, le sel attire et retient l'humidité de l'atmosphère. L'oxyde de graphène forme un réseau de transfert thermique efficace, répartissant l'énergie thermique sur toute la membrane à mesure que la batterie chauffe, tandis que la structure poreuse de la fibre de carbone active maximise la surface d'évaporation de l'eau. Le cadre en cuivre assure une distribution uniforme de la chaleur et empêche la saturation localisée. Enfin, la membrane en PTFE empêche les fuites de solution tout en permettant à la vapeur d'eau de s'échapper librement.
Lorsque la batterie chauffe, l'eau absorbe la chaleur et s'évapore, l'éloignant ainsi de la batterie. Ce mécanisme est appelé refroidissement par désorption. Lorsque la batterie refroidit, la membrane absorbe spontanément l'humidité de l'air ambiant, restaurant ainsi son niveau d'eau.
Alors… qu’est-ce qui rend cette membrane si particulière en tant que système de gestion thermique ? Tout d’abord, son efficacité est remarquable. Des tests de validation de principe ont démontré que cette membrane de refroidissement auto-adaptative délivre une puissance de refroidissement moyenne de 802,5 W·m⁻² et réduit la température de 34,3 °C (61,7 ° F) sous un flux thermique de 2,7 kW·m⁻². Appliquée à une batterie lithium-ion commerciale de 3,7 V/12 Ah soumise à des cycles de charge et de décharge rapides, la membrane a permis d’allonger la durée de vie de la batterie de 118 à 233 cycles.
Sous une chaleur très intense, comparable à celle produite par les batteries haute performance, le matériau a réussi à dissiper une grande quantité de chaleur par unité de surface, atteignant une baisse de température de plus de 30 °C. Outre son pouvoir de refroidissement, la membrane offre une excellente résistance au feu, empêchant l'emballement thermique dans des conditions qui provoqueraient normalement une combustion. Le système est également très fiable et durable. Lors des tests, la membrane a conservé ses propriétés de gestion thermique après 1 000 heures d'utilisation intensive.
Outre ces facteurs, le système intègre un refroidissement passif. Contrairement aux ventilateurs et aux systèmes de refroidissement liquide, la membrane de refroidissement nanocomposite adaptative ne consomme pas d'énergie. Le LiCl hygroscopique contenu dans la membrane absorbe automatiquement l'humidité de l'air ambiant lorsque la batterie se refroidit.
« Notre objectif était de développer une approche de gestion thermique passive, compacte, économique et pratique, capable de fournir une capacité de refroidissement élevée sans alimentation externe, tout en garantissant la fiabilité et la sécurité pour un fonctionnement réel sur batterie », explique le Dr Sui.
Enfin, la membrane de refroidissement est un système compact et simple, hautement modulable. Elle peut être dimensionnée aussi bien pour les appareils portables que pour les grands systèmes lithium-ion, comme les véhicules électriques.
Grâce à ses nombreux avantages, cette technologie représente une véritable révolution potentielle dans la gestion thermique des batteries lithium-ion. Il est toutefois important de noter que le système est plus performant dans les applications soumises à des charges thermiques intermittentes ou cycliques. Le refroidissement est limité en cas de chaleur continue, car le système a besoin de temps pour refroidir et réabsorber l'humidité.
La membrane est flexible et extensible
Bien qu'il s'agisse encore d'une technologie relativement nouvelle et qu'elle nécessite des travaux de recherche et de développement supplémentaires pour atteindre sa pleine viabilité, les perspectives sont prometteuses.
« Nous entrevoyons un fort potentiel partout où un contrôle thermique léger, compact et sans alimentation est nécessaire, offrant des performances de refroidissement significatives. Nous pensons notamment que les robots humanoïdes et les drones, où le poids et l'encombrement sont des facteurs essentiels, représentent les opportunités les plus prometteuses à court terme », explique le Dr Sui.
https://axial.acs.org/nanoscience/when-batteries-heat-up-this-membrane-sweats-it-out