Les batteries lithium-ion couramment utilisées dans l'électronique grand public sont connues pour s'enflammer lorsqu'elles sont endommagées ou mal emballées. Ces incidents ont parfois de graves conséquences, y compris les brûlures, incendies de maison et au moins un accident d'avion. Inspiré par le comportement étrange de certains liquides qui se solidifient à l'impact, les chercheurs ont mis au point un moyen pratique et peu coûteux d'aider à prévenir ces incendies.

Ils présenteront leurs résultats aujourd'hui lors de la 256e réunion et exposition nationale de l'American Chemical Society (ACS).

"Dans une batterie lithium-ion, un mince morceau de plastique sépare les deux électrodes, " Gabriel Veith, Doctorat., dit. "Si la batterie est endommagée et que la couche de plastique tombe en panne, les électrodes peuvent entrer en contact et provoquer un incendie de l'électrolyte liquide de la batterie."

Pour rendre ces batteries plus sûres, certains chercheurs utilisent plutôt un ininflammable, électrolyte solide. Mais ces batteries à l'état solide nécessitent un réoutillage important du processus de production actuel, dit Veith. Comme alternative, son équipe mélange un additif à l'électrolyte conventionnel pour créer un électrolyte résistant aux chocs. Il se solidifie lorsqu'il est touché, empêcher les électrodes de se toucher si la batterie est endommagée lors d'une chute ou d'un accident. Si les électrodes ne se touchent pas, la batterie ne prend pas feu. Encore mieux, l'incorporation de l'additif ne nécessiterait que des ajustements mineurs au processus de fabrication de batterie conventionnel.

Le moment eurêka du projet est venu lorsque Veith et ses enfants jouaient avec un mélange de fécule de maïs et d'eau connu sous le nom d'oobleck. "Si vous mettez le mélange sur une plaque à biscuits, il coule comme un liquide jusqu'à ce que vous commenciez à le piquer, et puis ça devient un solide, " dit Veith, qui est basé à Oak Ridge National Laboratory et est le chercheur principal du projet. Une fois la pression supprimée, la substance se liquéfie à nouveau. Veith s'est rendu compte qu'il pouvait exploiter ce comportement réversible d'"épaississement par cisaillement" pour rendre les batteries plus sûres.

Cette caractéristique dépend d'un colloïde, qui est une suspension de minuscule, particules solides dans un liquide. Dans le cas de oobleck, le colloïde est constitué de particules de fécule de maïs en suspension dans l'eau. Pour le colloïde de la batterie, Veith et ses collègues d'Oak Ridge et de l'Université de Rochester ont utilisé de la silice en suspension dans des électrolytes liquides courants pour les batteries lithium-ion. A l'impact, les particules de silice s'agglutinent et bloquent l'écoulement des fluides et des ions, il explique. Les chercheurs ont utilisé parfaitement sphérique, particules de silice de 200 nanomètres de diamètre, ou essentiellement un sable superfin. "Si vous avez cette taille de particule très uniforme, les particules se dispersent de manière homogène dans l'électrolyte, et ça marche à merveille, " dit Veith. " S'ils ne sont pas de taille homogène, puis le liquide devient moins visqueux à l'impact, et c'est mauvais."

Quelques autres laboratoires ont étudié l'épaississement par cisaillement pour rendre les batteries plus sûres. Une équipe a déjà fait état de recherches avec de la silice "fumée", qui se compose de minuscules particules irrégulières de silice. Un autre groupe a récemment signalé l'effet de l'utilisation de particules de silice en forme de bâtonnet. Veith pense que ses particules sphériques pourraient être plus faciles à fabriquer que la silice en forme de tige et avoir une réponse plus rapide et plus de pouvoir d'arrêt à l'impact que la silice fumée.

L'une des avancées majeures de Veith concerne le processus de production des batteries. Lors de la fabrication des batteries lithium-ion traditionnelles, un électrolyte est injecté dans le boîtier de la batterie à la fin du processus de production, puis la batterie est scellée. "Vous ne pouvez pas faire cela avec un électrolyte épaississant par cisaillement parce que la minute où vous essayez de l'injecter, il se solidifie, " dit-il. Les chercheurs ont résolu ce problème en mettant la silice en place avant d'ajouter l'électrolyte. Ils demandent un brevet sur leur technique.

À l'avenir, Veith prévoit d'améliorer le système afin que la partie de la batterie endommagée lors d'un accident reste solide, tandis que le reste de la batterie continuerait à fonctionner. L'équipe vise dans un premier temps des applications telles que les batteries de drones, mais ils aimeraient éventuellement entrer sur le marché automobile. Ils prévoient également de fabriquer une version plus grande de la batterie, qui serait capable d'arrêter une balle. Cela pourrait profiter aux soldats, qui transportent souvent 20 livres de gilets pare-balles et 20 livres de batteries lorsqu'ils sont en mission, dit Veith. "La batterie fonctionnerait comme leur armure, et cela allégerait le soldat moyen d'environ 20 livres."