Les batteries lithium-ion sont largement utilisées dans les véhicules électriques et les smartphones, car elles sont légères, fiables et économes en énergie. Cependant, leur temps de charge est lent et elles ne supportent pas les fortes surtensions. Lors de recherches récentes, l'équipe d'ingénierie de Cornell a développé une batterie lithium-ion pour véhicules électriques capable de se recharger complètement en 5 minutes. Voici le prototype d'une telle batterie à charge rapide.
L'équipe d'ingénierie de Cornell a mis au point une nouvelle batterie au lithium. Elle se recharge en moins de 5 minutes , plus rapidement que toute autre batterie disponible. De plus, elle conserve des performances stables lors des cycles de charge et de décharge prolongés. Cette découverte récente pourrait rassurer les conducteurs quant à l'autonomie de leur véhicule. Leurs inquiétudes concernant l'autonomie limitée des véhicules électriques et les inconvénients liés aux longs temps de recharge seraient ainsi atténuées.
Les chercheurs ont découvert que l'indium, un métal mou couramment utilisé pour les écrans tactiles et les panneaux solaires, présente un potentiel exceptionnel comme matériau pour les batteries à charge rapide. Cela est dû à ses taux de transport à l'état solide élevés et à ses faibles nombres de Damköhler. De plus, l'indium constitue une excellente alternative au plomb dans les soudures à basse température.
Le professeur Lynden Archer , doyen de l'école d'ingénierie de Cornell et responsable du projet, a déclaré : « L'angoisse liée à l'autonomie est un obstacle plus important à l'électrification des transports que tous les autres obstacles, comme le coût et la capacité des batteries, et nous avons identifié une voie pour l'éliminer grâce à des conceptions d'électrodes rationnelles. »
Le professeur Archer a ajouté : « Si l’on peut recharger la batterie d’un véhicule électrique en cinq minutes, il n’est plus nécessaire d’avoir une batterie capable d’offrir une autonomie de 300 kilomètres. On peut se contenter de moins, ce qui pourrait réduire le coût des véhicules électriques et favoriser leur adoption à plus grande échelle. »
Shuo Jin , doctorant en génie chimique et biomoléculaire et principal auteur de l'étude, explique : « Notre objectif était de concevoir des électrodes de batterie dont la charge et la décharge s'adaptent aux habitudes quotidiennes. Concrètement, nous souhaitons que nos appareils électroniques se chargent rapidement et fonctionnent longtemps. Pour ce faire, nous avons identifié un matériau d'anode en indium unique, qui peut être associé efficacement à divers matériaux de cathode afin de créer une batterie à charge rapide et décharge lente . »
Le processus
Pour leur nouvelle batterie au lithium, les chercheurs ont adopté une approche originale, en mettant l'accent sur la cinétique des réactions électrochimiques. Ils ont notamment utilisé un concept issu du génie chimique : le nombre de Damköhler . Ce concept quantifie la vitesse à laquelle les réactions chimiques se produisent par rapport au transport des substances jusqu'au site réactionnel.
Les dernières recherches révèlent que l'indium possède deux caractéristiques cruciales en tant qu'anode de batterie. Les voici :
- Un exceptionnellement barrière énergétique à faible migration, qui détermine la vitesse à laquelle les ions diffusent à l'état solide
- A densité de courant d'échange modérée, ce qui a un impact sur la vitesse à laquelle les ions sont réduits dans l'anode.
La synergie de ces caractéristiques, la diffusion rapide et la cinétique de réaction de surface lente sont impératives pour une charge rapide et un stockage prolongé.
Le professeur Archer a déclaré : « L’innovation majeure réside dans la découverte d’un principe de conception permettant aux ions métalliques de l’anode d’une batterie de se déplacer librement, de trouver la configuration optimale et de participer ensuite à la réaction de stockage de charge. Ainsi, à chaque cycle de charge, l’électrode conserve une morphologie stable. C’est précisément ce qui confère à nos nouvelles batteries à charge rapide la capacité de se charger et de se décharger de manière répétée pendant des milliers de cycles. »
La batterie lithium pour véhicules électriques, capable de se recharger complètement en 5 minutes, utilise cette technologie en combinaison avec la recharge par induction sans fil sur la chaussée. Cela pourrait réduire considérablement la taille et le coût des batteries et rendre le transport électrique encore plus accessible aux automobilistes. Toutefois, cela ne signifie pas que les anodes en indium soient parfaites ou pratiques.
« Bien que ce résultat soit prometteur, car il nous apprend à concevoir des batteries à charge rapide, l'indium est un métal lourd. Cela ouvre la voie à la modélisation par chimie computationnelle, notamment grâce à des outils d'intelligence artificielle générative, afin d'identifier d'autres matériaux légers susceptibles d'atteindre les mêmes valeurs intrinsèquement faibles du nombre de Damköhler. Par exemple, existe-t-il des alliages métalliques, encore inexplorés, présentant les caractéristiques recherchées ? C'est là que réside ma satisfaction : l'existence d'un principe général permettant à chacun de concevoir une anode de batterie plus performante, capable d'atteindre des vitesses de charge supérieures aux technologies actuelles », a ajouté le professeur Archer.
Source : Une batterie au lithium à charge rapide vise à éliminer « l'angoisse de l'autonomie »
