Batteries : un mécanisme découvert peut clairement améliorer les batteries des voitures électriques

Un groupe international de chercheurs a découvert un mécanisme conduisant à une réduction de la capacité de charge des batteries lithium-ion. Les ions hydrogène occupent les sites de liaison des ions lithium. Cette découverte pourrait servir de point de départ à un développement ultérieur de ces batteries, qui empêcheraient le mécanisme et conduiraient, par exemple, à une plus grande autonomie pour les voitures électriques.

Une équipe dirigée par Michael Toney de l’Université du Colorado à Boulder (États-Unis) a publié une étude à ce sujet dans la revue « Science ».

“Une meilleure batterie est très importante pour faire passer notre infrastructure énergétique des combustibles fossiles aux sources d’énergie renouvelables”, aurait déclaré Toney dans un communiqué de son université. Les batteries lithium-ion ne se trouvent pas seulement dans les voitures électriques, mais désormais aussi dans les avions.

De même, de nombreux appareils du quotidien, des smartphones aux ordinateurs portables, en passant par les vélos électriques et les tournevis sans fil, sont alimentés par des batteries lithium-ion. Cependant, les processus électrochimiques complexes dans ces batteries pendant la décharge et la charge ne sont pas encore entièrement compris.

Toney et ses collègues ont utilisé de puissants rayons X et des modèles informatiques pour expliquer les processus dans les batteries dites NMC. « NMC » signifie nickel, manganèse et cobalt (anglais : cobalt), qui forment avec le lithium un alliage dont l’oxyde sert d’électrode positive dans une batterie. L’oxyde métallique fournit des ions lithium, c’est-à-dire des particules chargées électriquement, qui migrent vers le pôle négatif lorsque la batterie est chargée. Lors de la décharge ou de l’utilisation d’énergie électrique, le courant des ions lithium entre les deux électrodes est inversé.

Les ions lithium ont besoin d’un endroit sur les deux électrodes, la cathode et l’anode, auxquels ils peuvent se lier chimiquement. Grâce à leurs mesures et analyses, les auteurs de l’étude ont pu prouver que les ions hydrogène bloquent précisément ces sites de liaison, de sorte que les ions lithium ne peuvent pas s’y ancrer. Cela affaiblit le courant électrique et réduit la capacité de la batterie.

Les scientifiques ont également trouvé la source des ions hydrogène : ce sont les groupes méthylène, constitués d’un atome de carbone et de deux atomes d’hydrogène. Ils sont présents en grand nombre dans tous les électrolytes couramment utilisés, les liquides situés entre les électrodes.

Les chercheurs sont convaincus que leurs résultats contribueront à mieux concevoir l’électrochimie des batteries lithium-ion. Sur cette base, ils suggèrent d’utiliser des tensions de coupure plus faibles et d’ajouter des additifs sans groupes méthylène aux électrolytes.

Selon les chercheurs, une étude de 2018 a révélé que les additifs sans groupes méthylène peuvent réduire la chute de tension des batteries lithium-ion. De plus, un revêtement superficiel de la cathode pourrait affaiblir le mécanisme de dégradation découvert.

Un objectif important de la recherche sur les batteries lithium-ion est de remplacer le cobalt. Parce que le cobalt est très rare et donc cher et qu’il est souvent extrait dans des conditions inhumaines. Cependant, la réduction de la capacité de charge est encore plus importante dans les batteries lithium-ion, dans lesquelles la teneur en cobalt est fortement réduite, que dans les batteries contenant plus de cobalt. Les nouvelles découvertes pourraient également aider ici.