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Des chercheurs américains ont présenté une batterie expérimentale prometteuse. Reposant sur une nouvelle architecture décuplant sa durée de vie, celle-ci pourrait permettre de recharger les véhicules électriques en un temps record.

Le « Saint Graal » en matière de chimie des batteries

L’une des approches actuellement explorées pour améliorer les performances des batteries lithium-ion consiste à remplacer le graphite et le cuivre utilisés pour l’anode par du lithium métallique. Celle-ci interagissant avec un électrolyte liquide et la cathode (autre électrode de la batterie) pour faire passer les ions d’un côté à l’autre lorsque le dispositif se charge et se décharge, l’excellente capacité et densité du lithium-métal en fait un matériau particulièrement intéressant.

« Les dispositifs au lithium métallique sont considérés comme le Saint Graal en matière de chimie des batteries, en raison de sa capacité et de sa densité d’énergie élevées », explique Xin Li, professeur associé de science des matériaux à la John A. Paulson School of Engineering and Applied Science de Harvard. « Mais leur stabilité a toujours été médiocre. »

Les raisons de cette faible stabilité se résument aux minuscules protubérances en forme d’aiguille appelées dendrites, qui se forment à la surface de l’anode en lithium métallique et se frayent un chemin à travers l’électrolyte liquide, altérant les performances de la batterie et provoquant souvent un court-circuit voire un incendie.

Schéma de l’architecture en « sandwich » de la nouvelle batterie

Afin d’éviter ce problème, les chercheurs tablaient jusqu’à récemment sur l’utilisation d’un électrolyte solide au lieu d’un électrolyte liquide avec ses solvants volatils. Dans le cadre de ces nouveaux travaux présentés dans la revue Nature, les scientifiques de Harvard ont développé une batterie solide au lithium-métal reposant sur une architecture en « sandwich ».

« Notre conception multicouche peut également guider et contrôler la croissance des dendrites »

Le dispositif est composé de plusieurs couches possédant chacune un degré de stabilité différent, qui limitent grandement sa détérioration par les dendrites. Ces dernières sont placées entre les deux électrodes (ou tranches de pain), et comprennent un revêtement en graphite (laitue), une première couche d’électrolyte (tomate), une deuxième couche d’électrolyte (bacon) et enfin une autre couche du premier électrolyte (tomate à nouveau).

Les légères variations dans la chimie des deux électrolytes rendent le premier sujet à la pénétration des dendrites mais plus stable avec le lithium, et le second moins stable avec le lithium mais immunisé face aux dendrites. De cette manière, la batterie n’empêche pas la formation de dendrites, mais est capable de la contrôler et de la contenir en toute sécurité, les protubérances étant bloquées par la couche « bacon » du dispositif.

« Notre stratégie consistant à incorporer de l’instabilité pour stabiliser la batterie semble contradictoire, mais tout comme une cheville peut guider et contrôler une vis qui s’enfonce dans un mur, notre conception multicouche peut également guider et contrôler la croissance des dendrites », explique Luhan Ye, également co-auteur de l’étude.

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Un dispositif capable de s’auto-régénérer

La batterie présente par ailleurs l’avantage de s’auto-régénérer en remplissant les espaces créés par les dendrites. Lors des tests, l’équipe a constaté qu’elle conservait 82 % de sa capacité après 10 000 cycles, et a démontré qu’elle supportait une densité de courant suffisamment élevée pour recharger les véhicules électriques en 10 à 20 minutes.

« Cette preuve de concept montre que les batteries lithium-métal à l’état solide pourraient concurrencer les batteries lithium-ion du commerce », estime Li. « La flexibilité et la polyvalence de notre conception multicouche la rendent potentiellement compatible avec les procédures de production de masse dans l’industrie des batteries. Bien qu’il reste quelques défis pratiques, nous pensons qu’ils seront surmontés. »

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