Les véhicules électriques (VE) ont longtemps été affectés par des problèmes comme les incendies de batteries, la réduction de l’autonomie et les pannes précoces. Toutefois, des scientifiques affirment avoir résolu un des problèmes les plus complexes liés à la dégradation des batteries, en étudiant des échelles très réduites mesurées en milliardièmes de mètre.
Une collaboration entre les chercheurs du Laboratoire national d’Argonne et de l’école Pritzker d’ingénierie moléculaire de l’Université de Chicago a permis de comprendre pourquoi une nouvelle catégorie de batteries lithium-ion, considérées comme plus sûres et durables, n’a pas toujours répondu aux attentes. Ces découvertes pourraient influencer la façon dont les futures batteries pour véhicules électriques seront conçues.
Focus sur les batteries lithium-ion riches en nickel
L’étude s’intéresse particulièrement aux batteries lithium-ion riches en nickel, couramment présentes dans les véhicules électriques. Alors que les versions traditionnelles utilisent des cathodes polycristallines, faites de nombreux petits cristaux, les chercheurs se sont tournés vers des cathodes monocristallines pour réduire les fissures et augmenter la durabilité. Cependant, les résultats ont montré que ces prototypes monocristallins ne gagnaient pas toujours en performance.
Malgré l’absence de zones de grain – souvent le point de départ de fissures – ces batteries montraient tout de même des signes de dégradation, suscitant l’étonnement des scientifiques et soulevant des questions sur leur durée de vie et leur sécurité. Khalil Amine, chercheur distingué à Argonne, a souligné l’importance de la confiance dans les batteries : « Si les gens n’ont pas confiance en la sécurité et la durabilité des batteries, ils ne choisiront pas de les utiliser. »
Les fissures à l’échelle nanométrique
Les dernières recherches ont permis d’identifier les raisons pour lesquelles les cathodes monocristallines échouaient. Selon l’équipe, des postulats issus des matériaux polycristallins étaient appliqués de manière incorrecte aux conceptions monocristallines. Jing Wang, premier auteur de l’étude, a précisé que les mécanismes de dégradation des pièces monocristallines étaient distincts.
En utilisant des techniques avancées de radiographie par synchrotron et de microscopie électronique à haute résolution, les chercheurs ont découvert que les fissures dans les cathodes monocristallines étaient causées par une hétérogénéité de réaction. Différentes parties d’une même particule réagissaient à des vitesses variées, créant ainsi des tensions internes pouvant mener à des fractures internes.
Repensons la chimie des batteries
Cette découverte remet également en question les idées reçues sur les matériaux des batteries. Dans les cathodes polycristallines, le cobalt est reconnu comme un élément favorisant les fissures, mais il est essentiel pour éviter le désordre structurel. En revanche, pour les cathodes monocristallines, il semble que la situation soit inversée.
En testant des batteries à nickel-cobalt et à nickel-manganèse séparément, l’équipe a constaté que le manganèse causait davantage de dommages mécaniques, alors que le cobalt améliorait la durabilité. Shirley Meng, directrice de l’Alliance de recherche sur le stockage d’énergie à Argonne, a insisté sur le besoin de nouvelles stratégies de conception et de matériaux différents pour faire avancer la recherche sur les batteries.
Malgré ses qualités, le cobalt reste onéreux. Wang a mentionné que le prochain défi serait de trouver des matériaux moins coûteux pouvant reproduire l’effet stabilisant du cobalt sans faire grimper les prix des batteries.
L’avancement dans ce domaine survient par cycles, comme l’a dit Amine : « On résout un problème, puis on passe au suivant. » Les résultats de cette étude offrent un chemin plus clair vers des batteries plus sûres et plus durables, à un moment où l’adoption des véhicules électriques dépend fortement de la confiance, de la fiabilité et de la performance, comme le rapporte le journal Nature Nanotechnology.
FAQ
Quel est le principal avantage des cathodes monocristallines par rapport aux polycristallines ?
Les cathodes monocristallines promettent une meilleure durabilité en principe, étant moins sujettes aux fissures dues à des zones de grain.
Pourquoi le cobalt est-il controversé dans les batteries ?
Bien qu’il puisse améliorer la structure des batteries, le cobalt est coûteux et son extraction soulève des problèmes éthiques et environnementaux.
Quelles nouvelles approches pourraient être envisagées pour les batteries ?
Les recherches portent sur l’exploration de matériaux alternatifs ou de formulations innovantes qui pourraient réduire les coûts et améliorer la sécurité des batteries.
Quel est le rôle de la recherche dans l’innovation des batteries ?
La recherche permet d’approfondir la compréhension des mécanismes de dégradation, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles conceptions de batteries plus sûres et plus efficaces.
Comment les scientifiques envisagent-ils l’avenir des batteries pour véhicules électriques ?
Ils sont optimistes quant aux nouvelles découvertes qui pourraient transformer la chimie des batteries, conduisant à des versions plus fiables et accessibles des technologies de stockage d’énergie.
