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14 Nov, 2018

Prolonger la durée de vie des batteries compactes, légères et à faible coût

Prolonger la durée de vie des batteries compactes, légères et à faible coût

Une nouvelle conception pourrait prolonger considérablement la durée de vie des batteries métal-air à usage unique pour les véhicules électriques, le stockage hors réseau et d’autres applications.

Les batteries métal-air sont l’un des types de batteries les plus légères et les plus compactes disponibles, mais elles peuvent avoir une limitation majeure: quand elles ne sont pas utilisées, elles se dégradent rapidement, car la corrosion ronge leurs électrodes métalliques. À présent, les chercheurs du MIT ont trouvé un moyen de réduire considérablement cette corrosion, ce qui permet à ces batteries d’avoir une durée de vie beaucoup plus longue.

Alors que les batteries lithium-ion rechargeables typiques ne perdent qu’environ 5% de leur charge après un mois de stockage, elles sont trop coûteuses, volumineuses ou lourdes pour de nombreuses applications. Les batteries primaires aluminium-air (non rechargeables) sont beaucoup moins chères, plus compactes et légères, mais elles peuvent perdre 80% de leur charge par mois.

La conception du MIT résout le problème de la corrosion dans les batteries aluminium-air en introduisant une barrière huileuse entre l’électrode en aluminium et l’électrolyte – le fluide entre les deux électrodes de la batterie qui ronge l’aluminium lorsque la batterie est en veille. L’huile est rapidement pompée et remplacée par de l’électrolyte dès que la batterie est utilisée. En conséquence, la perte d’énergie est réduite à seulement 0,02% par mois, soit une amélioration de plus de mille fois.

Alors que plusieurs autres méthodes ont été utilisées pour prolonger la durée de vie des batteries métal-air (pouvant utiliser d’autres métaux tels que le sodium, le lithium, le magnésium, le zinc ou le fer), ces méthodes peuvent toutefois compromettre les performances. La plupart des autres approches impliquent le remplacement de l’électrolyte par une formulation chimique différente, moins corrosive, mais ces solutions réduisent considérablement la puissance de la batterie.

D’autres méthodes impliquent le pompage de l’électrolyte liquide pendant le stockage et son retour avant utilisation. Ces méthodes permettent toujours une corrosion importante et peuvent obstruer les systèmes de tuyauterie de la batterie. Comme l’aluminium est hydrophile (attire l’eau) même après le drainage de l’électrolyte, les électrolytes restants adhéreront aux surfaces des électrodes en aluminium. «Les batteries ont des structures complexes, il y a donc de nombreux coins pour que l’électrolyte soit piégé», ce qui entraîne une corrosion continue, explique Brandon Hopkins.

Pour démontrer la capacité de l’aluminium à repousser l’huile sous l’eau, les chercheurs ont plongé cet échantillon d’aluminium dans un bécher (gobelet) contenant une couche d’huile flottante sur l’eau. Lorsque l’échantillon pénètre dans la couche d’eau, toute l’huile qui reste à la surface en descendant tombe rapidement, ce qui montre sa propriété de l’oléophobie sous-marine. Gracieuseté des chercheurs.

Une nouvelle membrane repose entre les électrodes de la batterie. Lorsque la batterie est en cours d’utilisation, les deux côtés de la membrane sont remplis d’électrolyte liquide, mais lorsque la batterie est en veille, l’huile est pompée dans le côté le plus proche de l’électrode en aluminium, ce qui protège la surface en aluminium de l’électrolyte située de l’autre côté de la membrane.

Le nouveau système de batterie tire également parti d’une propriété de l’aluminium appelée «oléophobie sous-marine», c’est-à-dire que lorsque l’aluminium est immergé dans l’eau, il repousse l’huile de sa surface. En conséquence, lorsque la batterie est réactivée et que l’électrolyte est pompé, l’électrolyte déplace facilement l’huile de la surface en aluminium, ce qui rétablit les capacités de puissance de la batterie. Ironiquement, la méthode MIT de suppression de la corrosion exploite la même propriété de l’aluminium que celle qui favorise la corrosion dans les systèmes conventionnels.

Le résultat est un prototype aluminium-air ayant une durée de vie beaucoup plus longue que celle des batteries aluminium-air conventionnelles. Les chercheurs ont montré que, lorsque la batterie était utilisée de manière répétée puis mise en veille pendant un à deux jours, la conception du MIT durait 24 jours, alors que la conception conventionnelle ne durait que trois jours. Même lorsque l’huile et un système de pompage sont inclus dans des blocs de batteries aluminium-air primaires à grande échelle, elles sont cinq fois plus légères et deux fois plus compactes que les blocs de batteries lithium-ion rechargeables pour véhicules électriques, indiquent les chercheurs.

Douglas Hart explique que l’aluminium, en plus d’être très bon marché, est l’un des « matériaux de stockage de densité d’énergie chimique les plus élevés que nous connaissons », c’est-à-dire qu’il est capable de stocker et de fournir plus d’énergie par kilo que presque toute autre chose, avec uniquement du brome, qui sont chers et dangereux, étant comparables. Selon lui, de nombreux experts pensent que les batteries aluminium-air pourraient constituer le seul substitut viable aux batteries lithium-ion et à l’essence utilisée dans les voitures.

Les batteries aluminium-air ont été utilisées comme rallonges d’autonomie pour les véhicules électriques, en complément des batteries rechargeables intégrées, pour permettre de parcourir de nombreux kilomètres supplémentaires lorsque la batterie intégrée est épuisée.

Elles sont aussi parfois utilisées comme source d’énergie dans des endroits isolés ou pour certains véhicules sous-marins. Mais bien que de telles batteries puissent être stockées pendant de longues périodes, tant qu’elles ne sont pas utilisées, dès qu’elles sont allumées pour la première fois, elles commencent à se dégrader rapidement.

Douglas Hart explique que de telles applications pourraient grandement bénéficier de ce nouveau système, car avec les versions existantes, «on ne peut pas vraiment le fermer. Vous pouvez le vider et retarder le processus, mais vous ne pouvez pas vraiment l’éteindre. « Cependant, si le nouveau système était utilisé, par exemple, comme prolongateur d’autonomie dans une voiture, » vous pourriez l’utiliser, le sortir du véhicule et l’entreposer pendant un mois, puis revenir et disposer d’une batterie utilisable. … Je pense vraiment que cela change la donne en termes d’utilisation de ces batteries. ”

Avec la plus longue durée de vie que ce nouveau système pourrait offrir, l’utilisation de batteries aluminium-air pourrait «s’étendre au-delà des applications de niche actuelles», déclare Douglas Hopkins. L’équipe a déjà déposé des brevets sur le processus.

« La technique présentée ici est éloquente en ce qu’elle utilise la physique de surface fondamentale pour estimer les propriétés d’huile et de membrane requises, et les résultats démontrent les performances prévues », a déclaré Robert Savinell, professeur d’ingénierie à la Case Western Reserve University, dans l’Ohio, non impliqué dans cette recherche. « Ces travaux pourraient en effet atténuer le besoin de métaux et d’alliages de haute pureté coûteux pour les batteries métal-air de base, et pourraient réduire la complexité des additifs pour électrolytes. »

Robert Savinell ajoute: «La capacité d’extraire efficacement de l’énergie utilisable des batteries aluminium-air à haute densité énergétique, en particulier dans des conditions d’utilisation intermittentes, facilitera le développement et l’amélioration de technologies nécessitant de très fortes densités d’énergie pour une utilisation prolongée. »

http://news.mit.edu/2018/metal-air-batteries-extending-life-1108