Un groupe d’ingénieurs de Cornell a développé une batterie au lithium innovante qui peut être chargée en moins de cinq minutes, plus rapidement que toute autre batterie similaire sur le marché, tout en maintenant une performance stable sur de nombreux cycles de charge et de décharge.
Cette avancée pourrait atténuer l'”angoisse de l’autonomie” chez les conducteurs qui craignent que les véhicules électriques ne puissent parcourir de longues distances sans être rechargés.
L’angoisse de l’autonomie est un obstacle à l’électrification des transports plus important que tous les autres obstacles, tels que le coût et la capacité de la batterie, et nous avons identifié un moyen de l’éliminer en utilisant des conceptions d’électrodes rationnelles. Si vous pouvez charger la batterie d’un véhicule électrique en cinq minutes, il n’est pas nécessaire d’avoir une batterie suffisamment grande pour une autonomie de 300 miles. On peut se contenter de moins, ce qui pourrait réduire le coût des VE et permettre une adoption plus large.
Lynden Archer, James A. Friend Family Distinguished Professor of Engineering et doyen de Cornell Engineering
L’équipe a publié son article intitulé “Fast charging, long-life storage in lithium batteries” le 16 janvier dans la revue Joule. L’auteur principal est Shuo Jin, doctorant en ingénierie chimique et biomoléculaire.
Les batteries lithium-ion sont l’un des moyens les plus populaires pour alimenter les véhicules électriques et les smartphones. Ces batteries sont légères, fiables et relativement économes en énergie. Cependant, elles mettent des heures à se recharger et n’ont pas la capacité de supporter de grandes pointes de courant.
Notre objectif était de créer des électrodes de batterie qui se chargent et se déchargent d’une manière compatible avec la routine quotidienne”, a déclaré M. Jin. “Concrètement, nous voulons que nos appareils électroniques se chargent rapidement et fonctionnent pendant de longues périodes. Pour y parvenir, nous avons identifié un matériau d’anode en indium unique qui peut être associé efficacement à divers matériaux de cathode pour créer une batterie qui se charge rapidement et se décharge lentement.
Shuo Jin
Le laboratoire de M. Archer a précédemment abordé la conception des batteries en se concentrant sur la manière dont les ions se déplacent dans les électrolytes et se cristallisent aux interfaces des anodes métalliques, puis a utilisé ces connaissances pour manipuler la morphologie des électrodes afin de créer des anodes plus sûres pour un stockage de longue durée.
Pour leur nouvelle batterie au lithium, les chercheurs ont adopté une approche différente et se sont concentrés sur la cinétique des réactions électrochimiques, en utilisant notamment un concept de génie chimique appelé “nombre de Damköhler”. Il s’agit essentiellement d’une mesure de la vitesse à laquelle les réactions chimiques se produisent, par rapport à la vitesse à laquelle les matériaux sont transportés vers le site de réaction.
L’identification de matériaux d’électrodes de batterie présentant des taux de transport solide intrinsèquement rapides, et donc des nombres de Damköhler faibles, a aidé les chercheurs à identifier l’indium comme un matériau exceptionnellement prometteur pour les batteries à charge rapide. L’indium est un métal mou, utilisé principalement pour fabriquer des revêtements d’oxyde d’indium-étain pour les écrans tactiles et les panneaux solaires, ainsi que pour remplacer le plomb dans les soudures à basse température.
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La nouvelle étude montre que l’indium présente deux caractéristiques cruciales pour une anode de batterie : une barrière énergétique de migration extrêmement faible, qui détermine la vitesse à laquelle les ions se diffusent dans l’état solide, et une densité de courant d’échange modeste, qui est liée à la vitesse à laquelle les ions sont réduits à l’anode. La combinaison de ces qualités – diffusion rapide et cinétique lente de réaction de surface – est essentielle pour une charge rapide et un stockage de longue durée.
La principale innovation est que nous avons découvert un principe de conception qui permet aux ions métalliques de l’anode d’une batterie de se déplacer librement, de trouver la bonne configuration et de participer ensuite seulement à la réaction de stockage de la charge. Le résultat final est qu’à chaque cycle de charge, l’électrode est dans un état morphologiquement stable. C’est précisément ce qui donne à nos nouvelles batteries à charge rapide la capacité de se charger et de se décharger de manière répétée sur des milliers de cycles.
Lynden Archer
Cette technologie, associée à la recharge sans fil par induction sur les routes, réduirait la taille et le coût des batteries, faisant du transport électrique une option plus viable pour les conducteurs.
Toutefois, cela ne signifie pas que les anodes d’indium sont parfaites ou même pratiques.
Bien que ce résultat soit passionnant, car il nous montre comment parvenir à des batteries à charge rapide, l’indium est lourd. C’est là que réside l’opportunité d’une modélisation chimique computationnelle, peut-être à l’aide d’outils d’IA générative, pour savoir quels autres matériaux légers pourraient atteindre les mêmes nombres de Damköhler intrinsèquement bas. Par exemple, existe-t-il des alliages métalliques que nous n’avons jamais étudiés et qui présentent les caractéristiques souhaitées ? C’est de là que vient ma satisfaction : il existe un principe général qui permet à tout un chacun de concevoir une meilleure anode de batterie qui permet d’atteindre des taux de charge plus rapides que la technologie de pointe.
Lynden Archer
Les coauteurs sont Yong Joo, professeur à la Robert Frederick Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering, Rong Yang, professeur adjoint à la Smith School, et les doctorants Xiaosi Gao, Shifeng Hong, Yue Deng et Pengyu Chen.
Plus d’info sur https://news.cornell.edu/stories/2024/01/fast-charging-lithium-battery-seeks-eliminate-range-anxiety
