Les scientifiques ont développé une batterie lithium-ion qui se charge à une température élevée pour augmenter la vitesse de réaction mais maintient la cellule au frais pendant la décharge, montrant le potentiel d'ajouter 200 miles d'autonomie à une voiture électrique en 10 minutes. Si mis à l'échelle, la conception est une stratégie potentielle pour atténuer les inquiétudes selon lesquelles les véhicules tout électriques ne disposent pas d'une autonomie de croisière suffisante pour atteindre une destination en toute sécurité sans caler à mi-parcours. Les chercheurs de la Pennsylvania State University présentent les travaux le 30 octobre dans la revue Joule .

Les scientifiques ont reconnu la nécessité de concevoir des batteries de véhicules électriques capables de se recharger extrêmement rapidement afin de répondre aux besoins des conducteurs. Cependant, un taux de charge aussi rapide nécessiterait qu'une batterie absorbe rapidement 400 kilowatts d'énergie, une prouesse que les véhicules actuels ne peuvent pas accomplir car elle risque le placage de lithium (formation de lithium métallique autour de l'anode), ce qui détériorerait gravement la durée de vie de la batterie.

Alors que les batteries au lithium conventionnelles sont chargées et déchargées à la même température, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient contourner le problème du placage au lithium en chargeant la batterie à une température élevée de 60 degrés Celsius pendant quelques minutes, puis le décharger à des températures plus froides.

"En plus de la charge rapide, cette conception nous permet de limiter le temps d'exposition de la batterie à la température de charge élevée, générant ainsi un cycle de vie très long, " dit l'auteur principal Chao-Yang Wang, un ingénieur en mécanique à l'Université d'État de Pennsylvanie. « La clé est de réaliser un chauffage rapide ; sinon, la batterie restera trop longtemps à des températures élevées, provoquant de graves dégradations."

Afin de raccourcir le temps de chauffe et de chauffer l'ensemble de la batterie à une température uniforme, Wang et ses collègues ont équipé une conception de batterie lithium-ion d'une structure en nickel auto-chauffante qui préchauffe en moins de trente secondes. Pour tester leur modèle, ils ont chargé trois piles en graphite conçues pour les véhicules électriques hybrides à 40, 49, et 60 degrés Celsius, ainsi qu'un contrôle à 20 degrés Celsius, en utilisant diverses stratégies de refroidissement pour maintenir des températures de charge constantes. Pour confirmer que le placage au lithium n'a pas eu lieu, ils ont ensuite complètement déchargé les cellules et les ont ouvertes pour analyse.

Wang et l'équipe ont découvert que les batteries préchauffées à 60 degrés Celsius pouvaient supporter le processus de charge extrêmement rapide pendant 1, 700 cycles, tandis que la cellule de contrôle ne pouvait suivre le rythme que pendant 60 cycles. À une température de charge moyenne comprise entre 49 et 60 degrés Celsius, la recherche n'a pas observé de placage de lithium. Les chercheurs ont également observé qu'une augmentation de la température de charge réduisait considérablement le refroidissement nécessaire pour maintenir la cellule à sa température initiale - la cellule de contrôle générait 3,05 wattheures, tandis que la cellule à 60 degrés Celsius ne générait que 1,7 watt-heure.

"Autrefois, il était universellement admis que les batteries lithium-ion devraient éviter de fonctionner à des températures élevées en raison du risque de réactions secondaires accélérées, " dit Wang. " Cette étude suggère que les avantages du placage au lithium atténué à température élevée avec un temps d'exposition limité l'emportent de loin sur l'impact négatif associé aux réactions secondaires exacerbées. "

Les chercheurs notent que la technologie est totalement évolutive car toutes les cellules sont basées sur des électrodes disponibles industriellement; et ils ont déjà démontré son utilisation dans des cellules à grande échelle, modules, et des blocs-piles. La feuille de nickel augmente le coût de chaque cellule de 0,47%, mais parce que la conception élimine le besoin des radiateurs externes utilisés dans les modèles actuels, il réduit en fait le coût de production de chaque pack.

Prochain, L'équipe de Wang prévoit d'aller plus loin dans leur conception.

"Nous travaillons pour charger une batterie de véhicule électrique à forte densité énergétique en cinq minutes sans l'endommager, ", dit-il. "Cela nécessitera des électrolytes et des matériaux actifs très stables en plus de la structure auto-échauffante que nous avons inventée."