De meilleures batteries pour de meilleurs véhicules électriques

Les véhicules électriques promettent de révolutionner le transport, mais à la condition que les batteries soient plus sures et plus efficaces. Un chercheur de la Faculté des sciences de la University of Calgary et ses collègues de la University of Maryland (UMD), située à College Park aux États-Unis, ont fait des progrès importants vers la création d’une batterie au lithium entièrement solide de prochaine génération.

Venkataraman Thangadurai, professeur au Département de chimie de la University of Calgary, a travaillé avec le chef de projet Eric Wachsman, professeur de génie à la UMD, et d’autres scientifiques de cette université pour construire cette batterie de pointe. Ils ont publié leurs derniers résultats dans un article intitulé Negating interfacial impedance in garnet-based solid-state Li metal batteries, qui est paru dans la revue  Nature Materials.

Plusieurs problèmes sont associés aux batteries au lithium-ion actuelles, notamment les fuites, l’instabilité chimique, l’inflammabilité et la tension de fonctionnement ou densité énergétique limitée. Mais la nouvelle batterie au lithium de la dimension d’un bouton créée par les chercheurs de la University of Calgary et de la UMD a une stabilité chimique, n’est pas inflammable et peut fonctionner en toute sécurité à une tension plus élevée que les batteries actuelles. « La technologie que nous avons créée permettra d’obtenir des batteries au lithium entièrement solide de haute puissance parfaitement stables, solides et sures pour le futur stockage d’énergie », déclare M. Thangadurai.

Dans les batteries au lithium-ion actuelles comme celles qui sont utilisées dans les véhicules électriques, les véhicules hybrides rechargeables et les appareils électroniques portables, ce sont des membranes formées de composés polymères organiques et de sels de lithium qui jouent le rôle d’électrolyte. Dans une batterie, l’électrolyte sépare les deux électrodes (la cathode positive et l’anode négative) et transporte les ions de lithium d’une électrode à l’autre pendant les cycles de chargement et de déchargement. Actuellement, ces composés polymères organiques sont inflammables et représentent donc un problème de sécurité.

M. Wachsman, les deux chercheurs principaux, soit MM. Thangadurai et Liangbing Hu, et d’autres scientifiques de la UMD ont plutôt utilisé un électrolyte en céramique solide qui ne brule pas. Ils ont aussi eu recours pour la première fois à la technique de dépôt par couches atomiques pour déposer une fine couche d’oxyde d’aluminium sur la structure de grenat qui recouvre l’électrolyte en céramique.

Les chercheurs ont montré qu’il y a peu de résistance entre l’anode métallique au lithium et l’interface de l’électrolyte en céramique, ce qui accélère le transport des charges et améliore le fonctionnement global. Grâce à cette nouvelle chimie de l’interface, ils ont pu utiliser une anode métallique au lithium et une cathode haute tension qui accroitront considérablement la capacité en stockage d’énergie et la tension de fonctionnement de leur batterie comparativement aux batteries au lithium-ion actuelles.

Il y a quelques années, alors qu’il travaillait à titre de stagiaire postdoctoral à l’université de Kiel en Allemagne, M. Thangadurai avait utilisé pour la première fois la céramique à base de grenat dans une batterie au lithium entièrement solide. Il y a environ trois ans, il a pris un congé sabbatique de la University of Calgary et afin de poursuivre ses travaux sur la technologie avec M. Wachsman et son équipe à la UMD.

« Cette collaboration nous a permis de faire la percée attendue dans le domaine des batteries entièrement solides. En plus de régler le problème d’inflammabilité des batteries actuelles, nous obtenons une batterie plus petite, plus légère, plus économique et véritablement révolutionnaire qui répondra aux besoins grandissants en matière de stockage d’énergie », déclare M. Wachsman, directeur du centre de recherche sur l’énergie de la UMD.

M. Thangadurai estime qu’il faudra cinq ans pour que cette batterie au lithium entièrement solide munie de la technologie créée par son équipe soit commercialisable. Cette collaboration internationale a été rendue possible grâce à un contrat conclu avec le département de l’énergie des États‑Unis.

Cet article a été adapté avec la permission de la  University of Calgary (en anglais seulement).

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