Les scientifiques ont amélioré les performances électriques des batteries au lithium-ion dans le froid extrême grâce à une nouvelle anode fabriquée avec un matériau bosselé à base de carbone.
Si vous avez une voiture électrique et que vous conduisez dans le froid, vous êtes probablement bien conscient de la réduction des performances et de l’autonomie lorsque les températures descendent en dessous de zéro. Même si vous vivez dans un endroit chaud, vous avez peut-être constaté le même effet sur votre téléphone portable lors d’un séjour au ski, en constatant que votre pourcentage de charge diminue rapidement malgré une utilisation minimale.
Heureusement, les scientifiques travaillent d’arrache-pied pour améliorer la technologie des batteries, en cherchant à augmenter la capacité, à accélérer la charge, à améliorer l’endurance, à renforcer la sécurité et, oui, à améliorer les performances par grand froid.
Lorsque les températures descendent en dessous de zéro, les téléphones portables doivent être rechargés fréquemment et les voitures électriques ont une autonomie réduite. Cela s’explique par le fait que les anodes de leurs batteries lithium-ion sont lentes, qu’elles retiennent moins de charge et qu’elles se vident rapidement de leur énergie. Afin d’améliorer les performances électriques dans le froid extrême, des chercheurs ont publié dans ACS Central Science ont remplacé l’anode traditionnelle en graphite d’une batterie lithium-ion par un matériau bosselé à base de carbone, qui conserve sa capacité de stockage rechargeable jusqu’à -35°C (-31°F).
Comme son nom l’indique, une batterie lithium-ion est un type de batterie rechargeable dans laquelle les ions lithium se déplacent de l’électrode négative à travers un électrolyte vers l’électrode positive pendant la décharge et inversement pendant la charge.
Les batteries lithium-ion sont idéales pour alimenter les appareils électroniques rechargeables car elles peuvent stocker beaucoup d’énergie et ont une longue durée de vie. Mais lorsque la température descend sous le point de congélation, les performances électriques de ces sources d’énergie diminuent, et lorsque les conditions sont suffisamment froides, elles peuvent ne pas transférer de charge. C’est pourquoi certaines personnes vivant dans le Midwest américain ont des problèmes avec leurs voitures électriques en plein hiver, et pourquoi il est risqué d’utiliser ces batteries dans les explorations spatiales.
Récemment, les scientifiques ont déterminé que l’orientation plate du graphite dans l’anode est responsable de la chute de la capacité de stockage d’énergie d’une batterie lithium-ion dans le froid. Xi Wang, Jiannian Yao et leurs collègues ont donc voulu modifier la structure de surface d’un matériau à base de carbone pour améliorer le processus de transfert de charge de l’anode.
Pour créer ce nouveau matériau, les chercheurs ont chauffé à haute température une zéolite imidazolate contenant du cobalt (connue sous le nom de ZIF-67). Les nanosphères de carbone à 12 côtés qui en résultent ont des surfaces bosselées qui présentent d’excellentes capacités de transfert de charge électrique. L’équipe a ensuite testé les performances électriques du matériau comme anode, avec du lithium métallique comme cathode, à l’intérieur d’une batterie en forme de pièce de monnaie. L’anode a démontré une charge et une décharge stables à des températures allant de 25°C à -20°C (77°F à -4°F) et a maintenu 85,9% de la capacité de stockage d’énergie à température ambiante juste en dessous du point de congélation.
En comparaison, les batteries lithium-ion fabriquées avec d’autres anodes à base de carbone, y compris le graphite et les nanotubes de carbone, ne conservaient pratiquement aucune charge à des températures de congélation. Lorsque les chercheurs ont abaissé la température de l’air à -35°C (-31°F), l’anode fabriquée avec des nanosphères bosselées était encore rechargeable et, pendant la décharge, elle a libéré près de 100 % de la charge placée dans la batterie. Selon les chercheurs, l’incorporation du matériau des nanosphères bosselées dans les batteries lithium-ion pourrait ouvrir la voie à l’utilisation de ces sources d’énergie à des températures extrêmement basses.
Référence : “Riemannian Surface on Carbon Anode Enables Li-ion Storage at -35 °C” 8 juin 2022, 10.1021/acscentsci.2c00411.
DOI: 10.1021/acscentsci.2c00411
Les auteurs reconnaissent le financement du Fonds de recherche fondamentale pour les universités centrales (Chine), de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, du ministère des Sciences et de la Technologie de Chine, du Projet scientifique et technologique de la province de Guangdong, du Laboratoire de chimie et de génie chimique de Guangdong et de l’Université Jiaotong de Beijing.
