Au quatre coins du monde, des chercheurs améliorent les batteries lithium-ion, notamment leur temps de charge ou leur capacité. Suite de notre étude, où nous découvrirons un égaliseur hybride, qui pourrait faire bondir de 30% la capacité des batteries, et la première batterie lithium-air réellement viable.

Nous avons analysé, dans la première partie de notre étude, un dispositif de test en temps réel des batteries lithium-ion, développé par l’Université de Warwick, qui permet de les recharger jusqu’à cinq fois plus vite, ainsi que ces batteries recouvrant largement leur anode de silicium, augmentant ainsi leur capacité jusqu’à 20%.

L’égaliseur de batteries « Bi-level Equalizer »

Place désormais à une autre avancée : l’égaliseur de batteries lithium-ion « Bi-level Equalizer », développé par Sandrine Mubenga pour l’université de Toledo (Etats-Unis), qui promet de pouvoir augmenter la capacité des batteries de 30%.

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Les cellules des batteries lithium-ion sont montées en série, et pour que la batterie et sa charge fonctionnent correctement, il faut que l’état de charge (mesuré en volt) de toutes ces cellules soit constamment le même. Si l’état de charge d’une cellule est plus bas que les autres, elle est considérée comme une weak cell (« cellule faible »), et ce problème doit être résolu au plus vite, car il a, globalement, les mêmes effets qu’une surchauffe de la batterie (augmentation des risques d’incendie, réduction de la longévité de la batterie, charge et décharge incomplète).

Egalisateurs passifs ou actifs ?

Pour répondre au problème de la weak cell, deux technologies existent : les égalisateurs passifs et les égalisateurs actifs. Les premiers sont moins chers, mais leur performance est faible : ils réduisent l’état de charge de toutes les cellules à celle de la weak cell. Ce qui a pour effet de diminuer la performance globale de la batterie.

Les égalisateurs actifs peuvent, à l’inverse, augmenter l’état de charge de la weak cell, pour la mettre à niveau des autres cellules : ils offrent des batteries de plus forte capacité, avec une plus grande durée de vie. Mais ils coûtent, actuellement, dix fois plus chers que les égalisateurs passifs – ce qui dissuade la quasi-totalité des fabricants des les utiliser.

Une solution hybride, qui cumule les avantages des deux technologies

La technologie développée par la chercheuse de l’Université de Toledo consiste à coupler ces deux types d’égalisateurs : le « Bi-level Equalizer » est le premier prototype d’égaliseur hybride, combinant une majorité d’égalisateurs passifs avec une minorité d’égalisateurs actifs. Le résultat est un égalisateur aux performances proches de celle d’un égalisateur actif – avec un prix très proche de celui d’un égalisateur passif ! Le beurre et l’argent du beurre en quelque sorte !

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La solution a été brevetée aux Etats-Unis, par l’Université de Toledo : « Nous avons testé cette découverte dans nos laboratoires et nous avons développé plusieurs logiciels et applications pour aider à la phase du design. Nous avons construit des prototypes et nous les avons testés dans le labo avec un système de batterie et c’est ainsi que nous avons eu le brevet » explique Sandrine Mubenga. Cet égaliseur promet des batteries à la capacité en hausse de 30%, et à la durée de vie augmentée.

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Reste à l’expérimenter à échelle réelle : « La prochaine étape sera d’incorporer le « Bilevel Equalizer » à une application et tester le système sur le terrain. Par application, je veux dire une voiture électrique, hybride, ou un système de stockage d’énergie pour le réseau électrique (grid) » expose la chercheuse, qui cherche des partenaires technologiques pour tester cette nouveauté prometteuse. Avis aux amateurs !

Batterie Lithium-air : des performances hors du commun…

Quittons désormais la batterie lithium-ion, pour évoquer sa petite sœur : la batterie lithium-air. Son principe technologique est connu depuis les années 1970. Une batterie lithium-ion utilise des ions lithium, une électrode positive le plus souvent en dioxyde de cobalt ou de manganèse et une électrode en graphite, baignant dans un électrolyte aprotique.

Une batterie lithium-air est beaucoup plus simple : elle utilise des ions lithium, des électrodes en carbone, et l’oxygène (O2) de l’air ambiant pour alimenter la réaction chimique avec le lithium. Cela la rend beaucoup plus légère et moins encombrante, et permet, à poids égal, de stocker jusqu’à cinq fois plus d’énergie qu’une batterie lithium-ion. De plus ses électrodes n’utilisent pas de métaux rares comme le cobalt ou la manganèse, mais du carbone, un des éléments les plus répandus sur terre – ce qui la rendent moins chères et plus simple à produire.

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Pour résumé, elle surpasse sa consoeur sur quatre des cinq critères-clés d’un batterie : prix, poids, volume, capacité de stockage. Seule la vitesse de charge ne serait pas améliorée. De quoi donner envie de se pencher sérieusement sur cette technologie !

mais un composé agressif qui sape très vite les performances de la batterie

Mais la batterie lithium-air a un grave défaut, jusqu’ici rédhibitoire : pendant la décharge de la batterie (c’est à dire son utilisation), la réaction du lithium avec l’oxygène engendre, dans la cathode, du peroxyde de lithium (Li2O2) ; durant la décharge, ce composé se dissocie, les ions lithium repartent vers l’anode, et l’oxygène est libéré dans l’air sous forme gazeuse.

Mais ce fameux peroxyde de lithium (Li2O2), très réactif et agressif, est le boulet aux pieds de cette batterie. Il a tendance à encrasser la cathode, bloquant les futures réactions chimiques ; il provoque également une oxydation de l’anode en lithium, et peut réagir avec le CO2 ou la vapeur d’eau et produire ainsi des sous-produits qui se déposent sur les électrodes et les empêchent de fonctionner. Résultat : au bout de quelques cycles d’utilisation, les performances de la batterie s’effondrent.

Un choix précis de composés pour rendre la batterie utilisable

Jusqu’ici, tous les chercheurs s’étaient plus ou moins cassé les dents sur cet épineux problème, bloquant la technologie lithium-air dans la case du « très prometteur, mais ne fonctionne pas ».

Le 21 mars 2018, des chercheurs de l’Université de l’Illinois à Chicago (UIC) et du Laboratoire National de l’Argonne ont publié dans la revue Nature les résultats de leurs travaux – et ils auraient trouvé, enfin, la solution !

Ils ont enduit l’anode d’une couche de carbonate de lithium, qui permet aux ions lithium de migrer vers la cathode, mais empêche son oxydation. La cathode, quant à elle, a été protégée par du bisulfure de molybdène qui joue le rôle d’un catalyseur. Ils ont choisi un électrolyte à base de diméthylsulfoxyde, qui facilite les réactions lithium-oxygène, mais minimise les réactions du peroxyde de lithium avec les autres composés de l’air, et augmente l’efficacité de la batterie.

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De magnifiques promesses, mais l’industrialisation n’est pas pour demain

Au final, l’accumulateur maintient ses performances pendant plus de 750 cycles – du jamais vu pour une batterie lithium-air. « Nous avons réaménagé et redessiné complètement l’architecture de cette batterie ce qui nous a permis d’activer les réactions chimiques que nous voulions voir se produire et d’empêcher ou bloquer celles qui finissent par entraîner la mort de la batterie« , a déclaré Salehi-Khojin, un des chercheurs.

Un saut technologique d’importance vient donc d’être réalisé : pour autant, l’industrialisation n’est pas encore pour demain, les chercheurs doivent encore énormément travailler pour présenter un prototype, qui pourrait être testé en conditions réelles d’utilisation. Mais le jeu en vaut largement la chandelle.

Au terme de cette visite de quatre avancées majeures, une chose est certaine : les tenants de la transition énergétique et des smart grids n’ont pas fini d’entendre parler de lithium !

 

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