« On a doublé la puissance » : cette percée sur les batteries électriques affole les industriels de l’automobile

Les avancées technologiques dans le domaine des batteries ne cessent de surprendre. Une étude récente présente une méthode innovante pour surmonter une limitation majeure des batteries lithium-ion conventionnelles. Les chercheurs, principalement basés en Corée du Sud, ont concentré leurs efforts sur les interfaces instables entre les électrodes et les électrolytes. Grâce à l’utilisation de silicium, qui peut stocker près de dix fois plus d’ions lithium que le graphite traditionnel, cette nouvelle approche pourrait significativement améliorer la densité énergétique des batteries. Examinons les détails de cette recherche prometteuse et les implications pour les systèmes de stockage d’énergie de prochaine génération.

Expansion et contraction volumétriques dramatiques

Le silicium, bien qu’il possède une capacité énergétique impressionnante, présente un inconvénient majeur : son expansion et sa contraction volumétriques dramatiques lors des cycles de charge et de décharge. En effet, le silicium peut gonfler jusqu’à trois fois sa taille initiale, entraînant l’apparition de vides mécaniques entre l’électrode et l’électrolyte. Ces changements répétés peuvent rapidement dégrader les performances des batteries. Pour remédier à ce problème, les chercheurs ont envisagé de remplacer les électrolytes liquides par des électrolytes à l’état solide ou quasi-solide (QSSEs), qui offrent une meilleure sécurité et stabilité. Toutefois, même avec les QSSEs, maintenir un contact complet avec le silicium en expansion reste un défi, entraînant séparation et perte de performance au fil du temps.

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Nouvelle direction pour les systèmes de stockage d’énergie

Selon le professeur Soojin Park de POSTECH, co-leader de l’étude, cette recherche propose une nouvelle orientation pour les systèmes de stockage d’énergie de nouvelle génération, alliant haute densité énergétique et durabilité à long terme. L’équipe de recherche, composée de membres de POSTECH et de l’Université de Sogang, a travaillé sur un système appelé IEE (Interlocking Electrode-Electrolyte), qui forme des liaisons chimiques covalentes entre l’électrode et l’électrolyte. Contrairement aux batteries conventionnelles où les composants se touchent simplement, le système IEE lie les deux dans une structure chimiquement entremêlée, semblable à des briques maintenues ensemble par un mortier durci. Cette configuration reste solidement connectée même sous un stress mécanique intense, ce qui pourrait accélérer la commercialisation des batteries à base de silicium.

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Tests de performance électrochimique

Les tests de performance électrochimique ont révélé une différence spectaculaire. Alors que les batteries traditionnelles perdaient de leur capacité après seulement quelques cycles de charge-décharge, celles utilisant le design IEE ont maintenu une stabilité à long terme. Notamment, la cellule de type IEE a démontré une densité énergétique de 403,7 Wh/kg et 1300 Wh/L, soit une densité énergétique gravimétrique supérieure de 60% et presque deux fois la densité énergétique volumétrique par rapport aux LIBs commerciaux typiques. En termes pratiques, cela pourrait permettre aux véhicules électriques de parcourir de plus grandes distances et aux smartphones de fonctionner plus longtemps avec une batterie de même taille.

Système IEE et applications futures

Le système IEE utilise des liaisons covalentes entre des liants interconnectés fonctionnalisés à l’acrylate sur les matériaux actifs et des réticulants au sein de l’électrolyte quasi-solide. Cela crée un réseau robuste et interconnecté qui maintient un contact stable entre l’électrode et l’électrolyte. Les chercheurs ont abordé les limitations des configurations d’électrolytes liquides et QSSE, comme en témoignent la faible hystérésis de tension lors des pics de (dé)lithiation sur 200 cycles et l’absence de formation de vides. Un kit cellulaire détectant la pression a également confirmé que le système IEE présente des changements de pression moindres lors des cycles sans fluctuations de tension dues à une perte de contact.

Avec ces avancées prometteuses, le domaine des batteries pourrait connaître des transformations majeures. L’étude, publiée dans la revue Advanced Science, pourrait-elle être le catalyseur d’une adoption plus large des technologies de batteries au silicium, et comment ces innovations influenceront-elles notre utilisation quotidienne des appareils électroniques et des véhicules électriques ?