Une équipe de l'Université Purdue a publié une recherche qui examine la relation entre les éléments actifs et inactifs des batteries lithium-ion, et comment la micro et la nanostructure de leurs ingrédients respectifs se reflètent sur les performances et la sécurité des batteries.

L'étude a récemment fait la couverture de la revue Matériaux et interfaces appliqués ACS .

"Les piles rechargeables sont partout, " dit Partha Mukherjee, professeur agrégé de génie mécanique, et chercheur principal de la recherche. "Nous transportons probablement deux ou trois appareils électroniques portables avec nous à tout moment. Mais les interactions entre les différents éléments de la batterie elle-même ne sont toujours pas clairement comprises. Mes recherches espèrent combler ce fossé."

Dans le laboratoire de Mukherjee, le Laboratoire des sciences de l'énergie et des transports (ETSL), les chercheurs étudient toutes les formes de transport et de stockage de l'énergie, y compris les batteries et les piles à combustible. Ils utilisent la modélisation informatique pour proposer de nouvelles configurations des éléments constitutifs impliqués puis tester différents phénomènes en laboratoire.

"C'est comme faire un gâteau, " dit Aashutosh Mistry, un doctorat candidat en génie mécanique. "Combien de pâte faut-il utiliser ? Quelle quantité de cerise faut-il mettre pour qu'elle ait bon goût ? De la même manière, on regarde les proportions fondamentales, ou la recette, de ces électrodes de batterie. Tout ce que vous modifiez à petite échelle finit par affecter les performances globales."

"Prenons les véhicules électriques, par exemple, " a déclaré Mukherjee.  " Les gens s'intéressent à trois choses. Performances :à quelle vitesse puis-je conduire ma voiture ? Durée de vie :combien de temps puis-je conduire ma voiture avant de la recharger ? Et enfin, Les préoccupations de sécurité. Nous avons vu ces batteries tomber en panne publiquement, de façon spectaculaire, exploser dans les smartphones et les voitures électriques. Donc, ces trois aspects - performance, la vie, et la sécurité - sont très importants. Cela peut être un équilibre délicat pour que tout soit parfait."

Parfois, leur laboratoire travaille à recréer volontairement les échecs spectaculaires. Dans une voiture électrique typique, les batteries ne sont pas une unité massive, mais des milliers de cellules individuelles câblées ensemble. Si l'un échoue, qu'arrive-t-il aux autres à proximité? Pour un essai, un module échantillon de 24 cellules (environ la taille d'une brique) a été volontairement surchargé. Une cellule a explosé, ce qui a conduit à une réaction en chaîne où toutes les cellules ont pris feu.

"La température et la pression à l'intérieur d'une cellule sont devenues si élevées, il a fait fondre le boîtier métallique, qui a pris feu, " a déclaré le candidat au doctorat Daniel Robles, alors qu'il tenait un sac en plastique contenant les restes calcinés. « Dans une voiture électrique, il y a plusieurs milliers de ces cellules, et ceux-ci sont situés sous votre siège ! C'est pourquoi il est important de comprendre les fondements de ces phénomènes, afin que nous puissions empêcher que cela se produise. »

Les batteries rechargeables contiennent généralement une électrode positive et une électrode négative, constitué de « matière active » pour stocker le lithium. Entre les deux électrodes se trouve un séparateur, et il y a de l'électrolyte liquide partout, pour transporter des ions lithium. Finalement, une combinaison de matériaux électrochimiquement inactifs, tels que les additifs conducteurs et les liants (appelés la "phase secondaire") aide à façonner les ingrédients physiques dans les électrodes poreuses composites et à améliorer la conductivité électrique. Dans la recherche publiée, Mukherjee et son équipe examinent la relation entre le matériau actif et la phase secondaire à l'échelle micro et nanométrique - la porosité, les formes physiques, et leurs interactions les unes avec les autres. La modification de l'une de ces caractéristiques entraîne des changements significatifs dans les performances globales de la batterie.

"Nous sommes encore à un stade naissant dans la compréhension de ces interactions complexes, " dit Mukherjee.  " Mais c'est la clé de nos recherches. Nous connectons ce qui se passe à l'échelle micro et nano aux performances de la batterie, la vie, et la sécurité."

Et comme les piles rechargeables deviennent de plus en plus répandues, leur recherche devient encore plus vitale. "Les piles sont utilisées partout, de l'électronique portable aux véhicules, et même dans les réseaux électriques à grande échelle. C'est une période formidable et passionnante pour faire de la recherche sur le stockage de l'énergie. »