Lorsque les ions lithium sont forcés rapidement à travers une batterie, ils peuvent se coincer et se transformer en lithium métal, ne pouvant plus se déplacer dans la batterie.

Imaginez pouvoir faire le plein de votre voiture électrique tout en vous arrêtant pour une collation rapide ou recharger votre téléphone tout en vous brossant les dents.

"La charge rapide est en quelque sorte le Saint Graal. C'est ce que tous ceux qui possèdent un appareil à base de batterie lithium-ion veulent pouvoir faire", déclare l'ingénieur principal David Wragg du Centre de science des matériaux et de nanotechnologie de l'Université d'Oslo.

À l'intérieur de la batterie, cependant, il y a beaucoup de chimie compliquée qui peut être sensible à la vitesse à laquelle elle est chargée. Les choses peuvent mal tourner.

"La perte de capacité est la plus critique", déclare Wragg à Titan.uio.no.

"Il est possible de fabriquer des batteries à très haute capacité qui pourraient vous permettre de conduire votre voiture électrique sur 1 000 km, mais après l'avoir chargée et déchargée plusieurs fois, vous perdriez environ la moitié de cette capacité et de cette autonomie.

Toutes les batteries rechargeables se détériorent avec le temps, mais cet effet négatif est encore plus fort lorsque la batterie est soumise à une charge rapide. Wragg est l'un des chercheurs à l'origine d'une étude qui montre pourquoi.

Ils ont pu constater que les ions lithium, si importants pour la capacité d'une batterie, se transforment en lithium métal pur et ne sont plus utiles. Et le plus important :cet effet est grandement amélioré par une charge rapide.

La batterie est comme une chaise berçante

D'un côté de la batterie se trouve l'anode et de l'autre la cathode. Ces deux électrodes peuvent stocker des électrons et des ions. Entre eux se trouve un séparateur et un électrolyte liquide qui aide les ions d'un côté à l'autre.

Les ions et les électrons se déplacent d'un côté à l'autre de la batterie lorsque vous utilisez le courant qui y est stocké et reviennent lorsque vous la rechargez.

"Ils appellent cela le mécanisme du fauteuil à bascule, où vous faites basculer les fers et les électrons d'un côté à l'autre. "

"Quand elles sont fraîches et qu'elles fonctionnent parfaitement, les batteries peuvent stocker une certaine quantité d'ions, et c'est la capacité totale du système", explique Wragg.

Lorsque les ions, qui faisaient des va-et-vient, se transforment en métal, ils ne peuvent plus se déplacer dans la batterie. Les ions sont chargés et peuvent être attirés d'avant en arrière. Les atomes métalliques sont neutres et ne peuvent être tentés dans aucun sens.

"Une fois que le lithium est transformé en métal, il n'est plus vraiment accessible pour la réaction électrochimique. Cette capacité est complètement perdue", explique Wragg.

Cela se produit dans toutes les batteries lithium-ion rechargeables lorsque vous les avez chargées suffisamment de fois. Mais pourquoi cela s'aggrave-t-il lorsque vous chargez rapidement ?

Goulets d'étranglement lors de la charge rapide

Lors d'une charge rapide, le même nombre d'ions se déplace dans le système, mais beaucoup plus rapidement. Tous les ions doivent trouver leur place dans l'anode en un temps beaucoup plus court.

"Lorsque vous chargez à double vitesse, vous devez déplacer la même quantité d'ions et d'électrons en deux fois moins de temps", explique Wragg.

Si vous chargez quatre ou six fois plus vite, ce sera naturellement encore plus difficile.

"C'est difficile car il y a certaines limites à la chimie qui se produit lorsque vous essayez d'introduire très rapidement des ions lithium dans un matériau d'électrode solide", explique Wragg.

Les anodes, qui reçoivent des ions lors de la charge, sont en graphite, qui est formé de fines couches de carbone. L'anode se compose de plusieurs millions de ces couches.

"Le graphite vide est comme un jeu de cartes et les ions lithium sont comme de minuscules boules poussées dans les espaces entre les cartes. Le problème est que vous pouvez avoir des goulots d'étranglement lorsque vous essayez de pousser les ions lithium entre les couches du graphite.

"Vous continuez à pousser des ions, mais à moins que les ions qui sont déjà entre les couches puissent pénétrer plus profondément dans la pile, il n'y a pas d'espace pour que de nouveaux ions puissent entrer. Lorsque vous chargez la batterie très rapidement, le lithium ne se propage pas à travers l'ensemble pas du tout d'électrode en graphite. Elle reste collée près de l'électrolyte, là où l'anode et la cathode sont séparées."

C'est surtout ici, dans ces goulots d'étranglement, que les ions chargés deviennent des atomes neutres et s'accumulent en minuscules morceaux de métal. Les ions ne se déplacent plus, en même temps que l'énergie est appliquée. Cet excès d'énergie peut être ce qui transforme un ion en un atome neutre et stable.

"C'est ce qu'on appelle le placage au lithium. C'est à ce moment que les ions lithium, au lieu de rester sous forme ionique, se transforment en lithium métal. Cela est connu depuis assez longtemps, mais cela n'a pas vraiment été observé dans une batterie en état de marche auparavant", a déclaré Wragg. dit.

Ceci, cependant, Wragg et ses collègues ont réussi à le faire. À l'aide de rayons X, ils ont scanné les batteries toutes les 25 millisecondes, encore et encore tout en chargeant rapidement à des rythmes différents. Cela leur a donné d'énormes quantités de données sur ce qui se passe jusqu'au niveau atomique.

"Nous pouvions en fait voir le placage de lithium s'accumuler. Pendant la charge rapide, nous pouvions voir la quantité de lithium augmenter très rapidement. Notre théorie est que cela a quelque chose à voir avec ce goulot d'étranglement des ions lithium. Nous voyons beaucoup d'ions lithium près de le séparateur et c'est aussi là que nous voyons le placage au lithium », explique Wragg.

"La chose la plus probable est que ces ions lithium s'accumulent et qu'ils ne peuvent tout simplement plus atteindre le graphite. Ils restent coincés là-bas et il y a beaucoup de chaleur, beaucoup d'énergie y est injectée, et donc ils se réduisent. au lithium métal."

Ils ont vu comment les couches de graphite les plus proches de l'autre électrode étaient très riches en lithium, alors qu'en profondeur, il n'y avait presque pas de lithium du tout. Plus ils chargeaient vite, plus la situation empirait.

"Plus vous le poussez vite, plus le placage se produit rapidement", explique Wragg.

L'avenir :les nanotubes et le graphène ?

L'étude n'est en aucun cas la fin de la charge rapide. Cela signifie simplement que les chercheurs doivent trouver de nouvelles et meilleures solutions.

"L'essentiel est que les personnes qui fabriquent des batteries essaient de trouver des moyens d'améliorer le transport du lithium afin que, lorsque vous chargez rapidement, il y ait plus de chances que le lithium atteigne l'ensemble de l'anode en graphite, " dit Wragg.

Des chercheurs du monde entier recherchent de nouveaux matériaux et de nouvelles méthodes permettant aux batteries de mieux supporter une charge rapide.

"Par exemple, beaucoup de gens utilisent des nanotubes de carbone. Le nanotube de carbone est ce que vous obtenez si vous prenez l'une des cartes et que vous l'enroulez dans un tube. C'est comme un graphite qui a été formé en tubes plutôt qu'un peu plat. "

Wragg et ses collègues de l'Université d'Oslo travaillent avec du graphène, des feuilles simples de graphite, dans l'anode.

"Le graphite est connu depuis des centaines d'années. Le graphène et les nanotubes de carbone sont connus depuis environ 30 ans, donc cela prend du temps."

Jusqu'à présent, aucune de ces innovations n'est apparue dans les batteries commerciales.

"Mais cela arrivera, sans aucun doute", dit Wragg.