Une technologie de batterie rechargeable développée à l'Université du Michigan pourrait doubler la production des cellules lithium-ion d'aujourd'hui, augmentant considérablement l'autonomie des véhicules électriques et le temps entre les charges de téléphone portable, sans prendre de place supplémentaire.

En utilisant une céramique, électrolyte à l'état solide, les ingénieurs peuvent exploiter la puissance des batteries au lithium métal sans les problèmes historiques de mauvaise durabilité et de court-circuit. Le résultat est une feuille de route pour ce qui pourrait être la prochaine génération de batteries rechargeables.

« Cela pourrait changer la donne :un changement de paradigme dans le fonctionnement d'une batterie, " a déclaré Jeff Sakamoto, un professeur agrégé de génie mécanique à l'UM qui dirige les travaux.

Dans les années 1980, Les batteries rechargeables au lithium métal qui utilisaient des électrolytes liquides étaient considérées comme la prochaine grande chose, pénétrer le marché des premiers téléphones portables. Mais leur propension à brûler lorsqu'ils sont chargés a conduit les ingénieurs dans des directions différentes. Les atomes de lithium qui font la navette entre les électrodes avaient tendance à former des filaments en forme d'arbre appelés dendrites sur les surfaces des électrodes, éventuellement court-circuiter la batterie et enflammer l'électrolyte inflammable.

La batterie lithium-ion, plus stable, mais une technologie moins énergivore—a été introduite en 1991 et est rapidement devenue la nouvelle norme. Ces batteries ont remplacé le lithium métal par des anodes en graphite, qui absorbent le lithium et empêchent la formation de dendrites, mais aussi avec des coûts de performance :

Le graphite ne peut contenir qu'un ion lithium pour six atomes de carbone, lui conférant une capacité spécifique d'environ 350 milliampères-heures par gramme (mAh/g.) Le lithium métal dans une batterie à l'état solide a une capacité spécifique de 3, 800 mAh/g.

Les batteries lithium-ion actuelles atteignent leur maximum avec une densité d'énergie totale d'environ 600 wattheures par litre (Wh/L) au niveau de la cellule. En principe, les batteries à semi-conducteurs peuvent atteindre 1, 200 Wh/L.

Pour résoudre le problème de combustion du lithium métal, Les ingénieurs U-M ont créé une couche de céramique qui stabilise la surface, empêchant les dendrites de se former et prévenant les incendies. Il permet aux batteries d'exploiter les avantages du lithium métal - densité énergétique et haute conductivité - sans les dangers d'incendie ou de dégradation au fil du temps.

« Ce que nous avons proposé est une approche différente :stabiliser physiquement la surface métallique du lithium avec une céramique, " dit Sakamoto. " Ce n'est pas combustible. Nous le faisons à plus de 1, 800 degrés Fahrenheit dans l'air. Et il n'y a pas de liquide, c'est ce qui alimente généralement les incendies de batterie que vous voyez.

"Vous vous débarrassez de ce carburant, vous vous débarrassez de la combustion."

Dans les tests d'électrolyte à l'état solide antérieurs, le lithium métal s'est développé à travers l'électrolyte céramique à de faibles taux de charge, provoquant un court-circuit, un peu comme cela dans les cellules liquides. Les chercheurs de l'U-M ont résolu ce problème avec des traitements chimiques et mécaniques qui fournissent une surface immaculée pour que le lithium se plaque uniformément, supprimer efficacement la formation de dendrites ou de filaments. Non seulement cela améliore la sécurité, il permet une amélioration spectaculaire des taux de charge, dit Sakamoto.

"Jusqu'à maintenant, les taux auxquels vous pourriez plaquer du lithium signifieraient que vous devriez charger une batterie de voiture au lithium métal pendant 20 à 50 heures (pour une pleine puissance), " dit Sakamoto. " Avec cette percée, nous avons démontré que nous pouvons charger la batterie en 3 heures ou moins.

« Nous parlons d'une augmentation d'un facteur 10 de la vitesse de charge par rapport aux rapports précédents pour les batteries au lithium métal à l'état solide. Nous sommes désormais à égalité avec les cellules lithium-ion en termes de taux de charge, mais avec des avantages supplémentaires. "

Ce processus de charge/recharge est ce qui conduit inévitablement à la mort éventuelle d'une batterie lithium-ion. L'échange répété d'ions entre la cathode et l'anode produit une dégradation visible dès la sortie de la boîte.

En testant l'électrolyte céramique, cependant, aucune dégradation visible n'est observée après un cyclage de longue durée, dit Nathan Taylor, un post-doctorant U-M en génie mécanique.

"Nous avons fait le même test pendant 22 jours, " dit-il. " La batterie était la même au début qu'à la fin. Nous n'avons vu aucune dégradation. Nous n'avons connaissance d'aucun autre électrolyte à l'état solide en vrac qui fonctionne aussi bien pendant aussi longtemps."

Les électrolytes solides en vrac permettent d'utiliser des cellules qui remplacent rapidement les batteries lithium-ion actuelles et pourraient tirer parti de la technologie de fabrication de batteries existante. Avec la performance matérielle vérifiée, le groupe de recherche a commencé à produire de fines couches d'électrolyte solide nécessaires pour atteindre les objectifs de capacité à l'état solide.

Les conclusions du groupe sont publiées dans le numéro du 31 août du Journal des sources d'énergie .