Les batteries au lithium permettent aux véhicules électriques de parcourir plusieurs centaines de kilomètres avec une seule charge. Leur capacité de stockage d'énergie est bien connue, mais il en va de même de leur tendance à s'enflammer occasionnellement - un événement connu des chercheurs sur les batteries sous le nom de « fugue thermique ». Ces incendies se produisent le plus souvent lorsque les batteries surchauffent ou cyclent rapidement. Avec de plus en plus de véhicules électriques sur la route chaque année, la technologie des batteries doit s'adapter pour réduire la probabilité de ces incendies dangereux et catastrophiques.

Des chercheurs de l'Université de l'Illinois au Chicago College of Engineering rapportent que le graphène, un matériau merveilleux du 21e siècle, pourrait éliminer l'oxygène des incendies de batteries au lithium. Ils rapportent leurs découvertes dans le journal Matériaux fonctionnels avancés .

Les raisons pour lesquelles les batteries au lithium prennent feu incluent le cycle rapide ou la charge et la décharge, et des températures élevées dans la batterie. Ces conditions peuvent provoquer la cathode à l'intérieur de la batterie - qui dans le cas de la plupart des batteries au lithium est un oxyde contenant du lithium, généralement de l'oxyde de lithium et de cobalt - pour se décomposer et libérer de l'oxygène. Si l'oxygène se combine avec d'autres produits inflammables dégagés par la décomposition de l'électrolyte sous une chaleur suffisamment élevée, une combustion spontanée peut se produire.

"Nous avons pensé que s'il y avait un moyen d'empêcher l'oxygène de quitter la cathode et de se mélanger avec d'autres produits inflammables dans la batterie, nous pourrions réduire les risques d'incendie, " dit Reza Shahbazian-Yassar, professeur agrégé de génie mécanique et industriel à l'UIC College of Engineering et auteur correspondant de l'article.

Il s'avère qu'un matériau que Shahbazian-Yassar connaît très bien a fourni une solution parfaite à ce problème. Ce matériau est le graphène, une couche ultrafine d'atomes de carbone aux propriétés uniques. Shahbazian-Yassar et ses collègues avaient déjà utilisé du graphène pour aider à moduler l'accumulation de lithium sur les électrodes des batteries au lithium métal.

Shahbazian-Yassar et ses collègues savaient que les feuilles de graphène sont imperméables aux atomes d'oxygène. Le graphène est également fort, flexible et peut être rendu électriquement conducteur. Shahbazian-Yassar et Soroosh Sharifi-Asl, étudiant diplômé en génie mécanique et industriel à l'UIC et auteur principal de l'article, pensaient que s'ils enveloppaient de très petites particules de la cathode d'oxyde de cobalt et de lithium d'une batterie au lithium dans du graphène, cela pourrait empêcher l'oxygène de s'échapper.

D'abord, les chercheurs ont modifié chimiquement le graphène pour le rendre électriquement conducteur. Prochain, ils ont enveloppé les minuscules particules d'électrode cathodique en oxyde de lithium et cobalt dans le graphène conducteur.

Lorsqu'ils ont examiné les particules d'oxyde de cobalt-lithium enveloppées de graphène en utilisant la microscopie électronique, ils ont vu que la libération d'oxygène sous haute température était considérablement réduite par rapport aux particules non emballées.

Prochain, ils ont lié ensemble les particules enveloppées avec un matériau liant pour former une cathode utilisable, et l'a incorporé dans une batterie au lithium métal. Lorsqu'ils ont mesuré l'oxygène libéré pendant le cycle de la batterie, ils n'ont vu presque aucun oxygène s'échapper des cathodes, même à des tensions très élevées. La batterie au lithium métal a continué à bien fonctionner même après 200 cycles.

"La batterie à cathode enveloppée n'a perdu qu'environ 14% de sa capacité après un cycle rapide par rapport à une batterie au lithium métal conventionnelle où les performances étaient en baisse d'environ 45% dans les mêmes conditions, " a déclaré Sharifi-Asl.

"Le graphène est le matériau idéal pour bloquer la libération d'oxygène dans l'électrolyte, " dit Shahbazian-Yassar. " Il est imperméable à l'oxygène, conductrice de l'électricité, souple, et est suffisamment solide pour résister aux conditions à l'intérieur de la batterie. Il n'a que quelques nanomètres d'épaisseur, il n'y aurait donc pas de masse supplémentaire ajoutée à la batterie. Nos recherches montrent que son utilisation dans la cathode peut réduire de manière fiable la libération d'oxygène et pourrait être un moyen de réduire considérablement le risque d'incendie dans ces batteries, qui alimentent tout, de nos téléphones à nos voitures. »