Des scientifiques découvrent une solution simple pour booster l’autonomie des batteries lithium-ion

Qu’il s’agisse des véhicules électriques, des smartphones ou des ordinateurs portables, de nombreux objets du quotidien dépendent actuellement de batteries lithium-ion. Ces batteries sont cependant loin d’être parfaites, surtout lorsqu’il s’agit de leur dégradation au fil du temps. Une nouvelle étude a cependant révélé une astuce simple pour que les batteries lithium-ion durent beaucoup plus longtemps.

Un mécanisme caché qui accélère la dégradation de nos batteries

La batterie lithium-ion est la forme commerciale de batterie rechargeable la plus couramment utilisée actuellement dans l’électronique portable, les transports électriques et le stockage de données. Les batteries lithium-ion sont constituées d’une ou plusieurs cellules lithium-ion, ainsi que d’un circuit imprimé de protection. Si l’utilisation de la batterie lithium-ion est si répandue, c’est parce qu’elle présente certains avantages clés, dont une haute densité énergétique, la possibilité d’une charge très rapide et une grande versatilité. Cependant, ces batteries présentent également certains défauts majeurs.

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L’un des principaux inconvénients que l’on reproche aux batteries lithium-ion concerne leur dégradation au fil du temps. Bien qu’il soit tout à fait normal qu’une batterie devienne moins performante avec le temps, il a été constaté que dans de nombreux cas, cette détérioration est trop rapide. La question est de savoir pourquoi. Auparavant, les experts pensaient que la dégradation des batteries lithium-ion était principalement causée par une surcharge due aux hautes tensions, notamment lors de la charge.

Cependant, des chercheurs de l’université technologique de Pohang, en Corée du Sud, ont identifié un autre mécanisme majeur de dégradation jusqu’alors inconnu des batteries lithium-ion en cours d’utilisation. D’après les résultats de l’étude publiée dans la revue Advanced Energy Materials, les chercheurs ont montré que lorsqu’une batterie lithium-ion est utilisée pendant de longues périodes sans être rechargée, un phénomène connu sous le nom de « réaction de quasi-conversion » se produit sur la surface de l’électrode positive (cathode), accélérant la dégradation de la batterie.

Protégez votre batterie, évitez une décharge complète

Les cathodes ternaires NMC (nickel, manganèse, cobalt) sont largement utilisées dans les batteries lithium-ion. Actuellement, les fabricants privilégient l’augmentation de la teneur en nickel et la réduction de l’utilisation du cobalt dans ces cathodes pour réduire les coûts. Cependant, des concentrations plus élevées en nickel réduisent généralement la durée de vie des batteries. S’il était effectivement considéré que la surcharge était la principale cause de dégradation des performances des batteries, cette hypothèse ne tient cependant pas compte de la dégradation qui survient dans des conditions de tension apparemment stables.

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Pourtant, les chercheurs ont constaté qu’un cycle de dégradation se produit bel et bien, même à tension stable, notamment au cours du processus de décharge. En utilisant la microscopie avancée, la spectroscopie et des simulations informatiques, les scientifiques ont découvert que lorsqu’une batterie lithium-ion est utilisée pendant de longues périodes sans être rechargée, la réaction de quasi-conversion se produit. Cette réaction se manifeste par une libération d’oxygène à la surface de la cathode. Cet oxygène réagit avec le lithium pour former de l’oxyde de lithium à environ 3 volts. Cette molécule réagit ensuite avec l’électrolyte, produisant du gaz et accélérant la dégradation de la batterie.

En plus d’avoir découvert ce mécanisme, les chercheurs ont également révélé une solution simple pour limiter les effets de ce mécanisme. Ils ont expliqué qu’en évitant une décharge complète des batteries lithium-ion, il est possible de prolonger considérablement leur durée de vie. Plus précisément, les chercheurs ont testé des batteries à haute teneur en nickel. Celles qui ont été déchargées à 0 % pour déclencher le processus de quasi-conversion n’ont conservé que 3,8 % de leur capacité après 250 cycles, tandis que les batteries à utilisation contrôlée (chargées à environ 20 %) ont conservé 73,4 % de leur capacité après 300 cycles.

Par ailleurs, une batterie révolutionnaire pour les véhicules électriques promet une autonomie de 1 600 km.

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