"Percée significative :" Une solution de placage pourrait conduire à une plus grande portée et à une durée plus longue

De nouvelles recherches sur les raisons pour lesquelles le placage lithium-ion se produit sur les batteries pourraient ouvrir la porte à une recharge plus rapide des véhicules électriques, à une autonomie étendue et à une durée de vie plus longue des batteries.

Le placage au lithium-ion est devenu un problème pour les batteries de véhicules électriques, car il peut affecter les performances, ralentir les accélérations, avoir un impact sur les vitesses de charge rapides et, dans certains cas, présenter un risque accru d'incendie et de sécurité.

Une nouvelle étude, publiée dans Nature, suggère qu'une solution consistant à modifier la microstructure d'une anode en graphite et à modifier la façon dont une batterie est chargée pourrait réduire la quantité de placage lithium-ion qui se produit au fil du temps.

"Aidé par un modèle de batterie 3D pionnier, nous pouvons capturer quand et où le placage au lithium commence et à quelle vitesse il se développe", explique le Dr Xuekun Lu, responsable de l'étude, de l'Université Queen Mary de Londres.

« Il s’agit d’une avancée majeure qui pourrait avoir un impact majeur sur l’avenir des véhicules électriques. »

Le placage au lithium se produit lorsque des ions lithium s'accumulent sur certaines parties de la surface de l'anode.

Elle est généralement provoquée par une charge à basse température ou par l’utilisation de courants élevés – une exigence d’une infrastructure de charge rapide – lorsque la surface de l’anode est temporairement saturée d’ions lithium. Au lieu de « s'intercaler » ou de pénétrer dans la structure anodique, les ions s'accumulent à l'extérieur sous forme d'une couche métallique.

Au fil du temps, de petites accumulations peuvent être éliminées lors de décharges ultérieures, mais d'autres fois, la nouvelle couche deviendra auto-renforcée.

Une fois que cela démarre, cela consomme du lithium qui pourrait être utilisé dans la batterie, réduit la porosité de l'anode pour que d'autres ions lithium puissent y pénétrer et réduit la zone de l'anode qui peut réagir.

Cela signifie désormais une performance réduite de la batterie, au point où elle peut ralentir la capacité d'accélération d'un véhicule électrique (VE), et une durée de vie plus courte de l'unité. Dans certains cas, cela peut provoquer des courts-circuits et des incendies.

La recherche sur la façon de résoudre ce problème, à l'aide d'une modélisation de champ de phase 3D haute fidélité à résolution microstructurale, a été entreprise par une collaboration de chercheurs britanniques et américains issus de nombreuses institutions réputées - pensez au MIT, à la Faraday Institution, à Oxford et à Pékin. Institut de technologie, entre autres.

Ce qu’ils ont découvert, c’est que les particules qui composent l’anode ne sont pas uniformes et rendent donc plus ou moins probable que les ions lithium s’intercalent facilement ou non.

Manipuler les particules de l'anode afin qu'elles soient plus uniformes au lieu d'être distribuées de manière aléatoire permettrait une réaction plus homogène entre les ions lithium et l'anode et empêcherait l'accumulation d'une couche de lithium dans certaines zones mais pas dans d'autres, explique Lu.

Cependant, cela constitue également un véritable défi.

Une autre solution, plus simple, consisterait à modifier la vitesse de fonctionnement des chargeurs.

L'étude a révélé que la tension à courant constant n'est pas adaptée à une charge rapide en raison du courant élevé qui doit être utilisé.

Une gamme d'options différentes a déjà été étudiée par des chercheurs ailleurs, comme le courant pulsé, le courant varié, le courant constant à plusieurs étages ou un profil hybride combinant différents modes.

Les auteurs de l'étude affirment que pour une charge complète très rapide en 20 minutes, il devrait y avoir une période de repos de 3 minutes à un état de charge (SOC) de 45 % pour une électrode d'une capacité réelle allant jusqu'à 2 mAh cm−2 (capacité de décharge par superficie de l'unité).

Pour une électrode de 3 mAh cm−2, le temps de relaxation optimal est de 45 % SOC pour une charge de 20 minutes, 30 % SOC pour une charge qui prend 30 minutes plus lentement et 20 % SOC pour une charge qui prend 60 minutes. minutes.

En donnant à la batterie le temps de « se détendre », cela donne à l'anode le temps d'absorber les ions lithium, aide à la récupération en éliminant tout lithium plaqué réversible et réduit la perte de capacité sur le moment en arrêtant la formation de lithium. appelé « lithium mort ».

Rachel Williamson est une journaliste scientifique et économique qui se concentre sur les questions de santé et d'environnement liées au changement climatique.