Nouvelles batteries lithium-ion améliorées qui durent plus longtemps par froid extrême

Les scientifiques ont amélioré les performances électriques des batteries lithium-ion par grand froid avec une nouvelle anode faite d’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 des performances et de l’autonomie réduites 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 voyage de ski, constatant que votre pourcentage de charge diminuait rapidement malgré une utilisation minimale.

Heureusement, les scientifiques travaillent dur pour améliorer la technologie des batteries, cherchant à augmenter la capacité, à accélérer la charge, à améliorer l’endurance, à renforcer la sécurité et, oui, à améliorer les performances à des températures très froides.

Lorsque les températures descendent en dessous de zéro, les téléphones portables doivent être rechargés fréquemment et les voitures électriques ont une autonomie plus courte. En effet, les anodes de leurs batteries lithium-ion deviennent lentes, retenant moins de charge et drainant rapidement l’énergie. Pour améliorer les performances électriques dans le grand froid, des chercheurs rapportent dans Sciences centrales de l’AEC ont remplacé l’anode en graphite traditionnelle dans une batterie lithium-ion par un matériau cahoteux à base de carbone, qui maintient sa capacité de stockage rechargeable jusqu’à -31 °F (-35 °C).

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 reviennent lors de la charge.

Les batteries au 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 les températures chutent en dessous de zéro, 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, des scientifiques ont déterminé que l’orientation plate du graphite dans l’anode était responsable de la baisse de la capacité de stockage d’énergie d’une batterie lithium-ion à froid. Ainsi, Xi Wang, Jiannian Yao et leurs collègues ont 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 le nouveau matériau, les chercheurs ont chauffé une structure d’imidazolate de zéolite contenant du cobalt (connue sous le nom de ZIF-67) à des températures élevées. Les nanosphères de carbone à 12 côtés résultantes avaient des surfaces bosselées qui démontraient d’excellentes capacités de transfert de charge électrique. Ensuite, l’équipe a testé les performances électriques du matériau comme anode, avec du lithium métal comme cathode, à l’intérieur d’une pile en forme de pièce de monnaie. L’anode a démontré une charge et une décharge stables à des températures de 77 °F à -4 °F (25 °C à -20 °C) et a maintenu 85,9 % de la capacité de stockage d’énergie à température ambiante juste en dessous de zéro.

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 presque aucune charge à des températures glaciales. Lorsque les chercheurs ont fait chuter la température de l’air à -31 °F (-35 °C), l’anode constituée de nanosphères cahoteuses était encore rechargeable et, pendant la décharge, libérait près de 100 % de la charge mise dans la batterie. Selon les chercheurs, l’incorporation de nanosphères cahoteuses dans des batteries lithium-ion pourrait ouvrir la possibilité d’utiliser 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 des Fonds de recherche fondamentale pour les universités centrales (Chine), la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, le Ministère des sciences et de la technologie de Chine, le Projet scientifique et technologique de la province du Guangdong, le Laboratoire de chimie et de génie chimique du Guangdong et l’Université Jiaotong de Pékin.

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