Les ions lithium ne voyagent pas seuls à l’intérieur d’une batterie en charge. Ils transportent avec eux des molécules de solvant, et ce mouvement peut laisser une électrode à court du liquide dont elle a besoin.
Des chercheurs de l’Université du Maryland ont repensé un électrolyte pour surmonter cet obstacle négligé à une charge plus rapide. L’équipe a testé la chimie dans une cellule de poche de quatre ampères-heure, atteignant une charge de 80 % en 12,8 minutes et de 90 % en 14,7 minutes. La recherche ouvre la voie à des arrêts de recharge plus courts pour les véhicules électriques en modifiant la chimie des batteries.
Dirigés par le chercheur Chang-Xin Zhao dans le laboratoire du professeur émérite Chunsheng Wang, les travaux relèvent un défi pratique : rapprocher les temps de recharge des minutes que les conducteurs passent à remplir un réservoir d’essence. Les chercheurs visent désormais à réduire encore davantage cette attente, à environ 10 minutes.
Le frein caché de la recharge
Pendant la charge, les ions lithium se déplacent de l’électrode positive de la batterie à son électrode négative en passant par l’électrolyte. En chemin, ils captent les molécules de solvant et les tirent dans la même direction.
À des vitesses de charge plus lentes, le solvant peut refluer dans l’électrode positive poreuse, reconstituant ce qui s’est éloigné. Cependant, lorsque la charge s’accélère, ce flux de retour a du mal à suivre le rythme. L’électrode commence à sécher et la charge ralentit considérablement.
Le phénomène, connu sous le nom de traînée électro-osmotique, était déjà familier aux chercheurs étudiant les piles à combustible. Son rôle dans les batteries lithium-ion avait été négligé jusqu’à l’étude menée par le Maryland.
Les approches précédentes pour une charge plus rapide se sont concentrées sur la modification des structures des électrodes. Ces changements peuvent réduire l’énergie contenue par une batterie, créant ainsi un compromis que l’équipe voulait éviter.
Changer le comportement du solvant
Les chercheurs ont ajouté des groupes chimiques contenant du fluor aux molécules de solvant présentes dans l’électrolyte. Cela a affaibli l’attraction entre le solvant et les ions lithium tout en aidant le solvant à refluer plus facilement dans l’électrode positive.
Ce changement a réduit le risque de dessèchement de l’électrode lors d’une charge rapide.
Les tests dans la cellule de poche ont permis d’obtenir une charge de 80 pour cent dans les limites de l’objectif du ministère américain de l’Énergie de moins de 15 minutes.
La cellule a également atteint 90 % dans cette fenêtre, même si les chercheurs ont noté qu’il reste difficile d’atteindre rapidement une charge complète sans compromettre d’autres aspects des performances.
Les résultats démontrés provenaient d’une petite cellule de poche, plutôt que d’une batterie EV complète. Ils établissent un résultat en laboratoire pour l’électrolyte repensé, mais des développements supplémentaires sont encore nécessaires.
Viser un arrêt d’une longueur de café
Le prochain objectif de Wang est de combiner le solvant fluoré avec un électrolyte adaptatif développé par son équipe. Cet électrolyte se sépare pour protéger les deux électrodes des contraintes liées à une charge rapide.
« Au moment où vous finissez votre café, le véhicule est chargé. C’est ce que nous voulons réaliser », a déclaré Zhao.
La vitesse de chargement n’est qu’une partie d’un effort de recherche plus large. L’équipe souhaite également que les batteries durent plus longtemps lorsqu’elles ne sont pas utilisées et fonctionnent dans une plage de températures plus large.
« Nous voulons construire une batterie capable de satisfaire à toutes les exigences, sans rien sacrifier. C’est notre objectif », a déclaré Wang.
L’étude a été publiée dans la revue Science.
