Les batteries au lithium-ion sont un peu célèbres pour leurs mauvaises performances par temps froid, ce qui a des conséquences sur certaines de leurs applications les plus importantes, du démarrage d'une voiture électrique dans un hiver du Wisconsin au pilotage d'un drone sur Mars.

Aujourd'hui, des chercheurs du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie ont identifié un aspect négligé du problème :le stockage de batteries lithium-ion à des températures inférieures à zéro peut fissurer certaines parties de la batterie et les séparer des matériaux environnants, réduisant ainsi leur capacité de stockage électrique. .

Le scientifique du SLAC Yijin Liu et le boursier postdoctoral Jizhou Li ont fait cette découverte en examinant les performances par temps froid de la cathode, la partie des électrons de la batterie qui s'écoule lorsqu'elle est utilisée. Les premières études ont montré que le stockage des cathodes à des températures inférieures à zéro degré Celsius entraînait une perte de capacité des batteries jusqu'à 5 % supérieure après 100 charges par rapport aux batteries stockées à des températures plus élevées.

Pour comprendre pourquoi, les chercheurs se sont tournés vers une combinaison de méthodes d'analyse par rayons X à la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford du SLAC et de techniques d'apprentissage automatique sur lesquelles Li travaille depuis plusieurs années. La combinaison leur permet d'identifier des particules de cathode individuelles, ce qui signifie que l'équipe pourrait étudier des milliers de particules à la fois, par rapport à la poignée qu'elles pourraient identifier avec leurs seuls yeux.

Ensemble, ces méthodes ont révélé que les températures froides rétrécissaient les particules ressemblant à des boulettes de viande à l'intérieur de la cathode et, ce faisant, les craquaient ou aggravaient encore les fissures existantes, a déclaré Liu. Et, puisque les matériaux diffèrent dans la façon dont ils se dilatent et se contractent en réponse aux changements de température, le froid extrême détachait également les cathodes des matériaux environnants.

Les résultats indiquent quelques solutions possibles, a déclaré Liu. En recherchant des matériaux de batterie mieux adaptés en termes de réponse à la température, les scientifiques pourraient résoudre le problème du détachement. Cela pourrait également aider à améliorer d'autres batteries, car toutes les batteries se dilatent et se contractent lorsqu'elles chauffent et refroidissent. Et en concevant différentes structures de particules à l'intérieur d'une batterie, notamment en les construisant à partir de particules plus lisses et moins ressemblant à des boulettes de viande, les chercheurs pourraient aider à prévenir la fissuration et à améliorer la capacité à long terme de la batterie lithium-ion.