Des chercheurs du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) ont signalé un nouveau mécanisme pour accélérer la charge des batteries lithium-ion pour les véhicules électriques. Exposer simplement la cathode à un faisceau de lumière concentrée, par exemple, la lumière blanche d'une lampe au xénon réduit le temps de charge de la batterie d'un facteur remarquable de deux ou plus. Si commercialisé, une telle technologie pourrait changer la donne pour les véhicules électriques.

Les propriétaires de véhicules électriques sont bien conscients de « l'anxiété de l'autonomie » car le niveau de charge est faible ou l'emplacement de la borne de recharge la plus proche semble trop éloigné. La recharge rapide reste un défi critique si de tels véhicules veulent un jour conquérir un large segment du marché des transports. La recharge d'une voiture électrique à vide prend généralement environ huit heures.

Il existe maintenant des stations de suralimentation spéciales qui permettent de recharger ultrarapidement les véhicules électriques en délivrant un courant beaucoup plus élevé à la batterie. Passer trop de courant sur un temps trop court, cependant, dégrade les performances de la batterie.

Typiquement, les batteries lithium-ion pour véhicules sont chargées lentement pour obtenir une réaction électrochimique complète. Cette réaction consiste à retirer le lithium de la cathode en oxyde et à l'insérer dans l'anode en graphite.

"Nous voulions raccourcir considérablement cette réaction de charge sans endommager les électrodes du flux de courant plus élevé qui en résulte, " a déclaré Christopher Johnson, Argonne Distinguished Fellow et chef de groupe dans la division Sciences chimiques et génie.

Les batteries lithium-ion d'aujourd'hui fonctionnent dans un état sombre, avec les électrodes logées dans un étui. La technologie photo-assistée d'Argonne utiliserait un conteneur transparent qui permet à une lumière concentrée d'éclairer les électrodes de la batterie pendant la charge.

Pour sonder le processus de charge, l'équipe de recherche a conçu de petites cellules lithium-ion ("cellules à pièces") avec des fenêtres de quartz transparentes. Ils ont ensuite testé ces cellules avec et sans lumière blanche brillant à travers la fenêtre sur la cathode.

"Nous avons émis l'hypothèse que, pendant la charge, la lumière blanche interagirait favorablement avec le matériau cathodique typique, et cela s'est avéré être le cas dans nos tests cellulaires, " a déclaré Johnson. Ce matériau de cathode est un oxyde de lithium et de manganèse, abrégé en LiMn 2 O 4 (OMT).

L'ingrédient clé de cette réaction favorable est l'interaction de la lumière avec l'OVM, un matériau semi-conducteur connu pour interagir avec la lumière. Tout en absorbant les photons de la lumière pendant la charge, l'élément manganèse dans le LMO change son état de charge de trivalent à tétravalent (Mn ³⁺ à Mn ⁴⁺ ). En réponse, les ions lithium s'éjectent plus rapidement de la cathode que cela ne se produirait sans le processus d'excitation photonique.

Cette condition accélère la réaction de la batterie. L'équipe a découvert que la réaction plus rapide entraînait une charge plus rapide sans dégrader les performances de la batterie ou la durée de vie du cycle. "Nos tests cellulaires ont montré une diminution d'un facteur deux du temps de charge avec la lumière allumée, " a déclaré Johnson.

L'équipe de recherche a réalisé ce travail dans le cadre du Center for Electrochemical Energy Science (CEES), un DOE Energy Frontier Research Center (EFRC) dirigé par Argonne.

"Cette recherche est un excellent exemple de la façon dont l'objectif du CEES de comprendre les processus d'électrode dans les batteries lithium-ion permet des avancées cruciales qui influencent la technologie, " a déclaré Paul Fenter, Directeur du CEES et physicien senior à la division Sciences et Génie Chimiques. "Ceci est emblématique des impacts transformationnels que le programme EFRC peut atteindre."

Johnson a ajouté que, "Cette découverte est la première du genre à fusionner les technologies d'éclairage et de batterie, et cette intersection est de bon augure pour l'avenir des concepts de charge innovants pour les batteries."

Le Vehicle Technologies Office du DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy a identifié la charge rapide comme un défi critique pour assurer l'adoption massive des véhicules électriques avec un objectif de 15 minutes. temps de recharge, et cette recherche pourrait être une clé pour rendre cela possible.

Cette recherche est apparue dans Communication Nature , intitulé "Charge rapide photo-accélérée des batteries lithium-ion".