Pour que les véhicules électriques (VE) se généralisent, ils ont besoin de batteries rentables, plus sûres et plus durables, qui n'explosent pas pendant l'utilisation et ne nuisent pas à l'environnement. Des chercheurs de l'Institut de technologie de Géorgie ont peut-être trouvé une alternative prometteuse aux batteries lithium-ion classiques, fabriquées à partir d'un matériau courant : le caoutchouc.
Les élastomères, ou caoutchoucs synthétiques, sont largement utilisés dans les produits de consommation et les technologies avancées telles que l'électronique portable et la robotique douce, en raison de leurs propriétés mécaniques supérieures. Les chercheurs ont découvert que le matériau, lorsqu'il est formulé dans une structure 3D, agit comme une super-autoroute pour le transport rapide du lithium-ion avec une résistance mécanique supérieure, ce qui permet de charger les batteries plus longtemps et d'aller plus loin. Les recherches, menées en collaboration avec l'Institut coréen des sciences et technologies avancées, ont été publiées dans la revue Nature.
Dans les batteries lithium-ion classiques, les ions sont déplacés par un électrolyte liquide. Cependant, la batterie est intrinsèquement instable : le moindre dommage peut s'infiltrer dans l'électrolyte, entraînant une explosion ou un incendie. Les problèmes de sécurité ont contraint l'industrie à s'intéresser aux batteries à l'état solide, qui peuvent être fabriquées à l'aide de matériaux céramiques inorganiques ou de polymères organiques.
"La plupart des industriels se concentrent sur la fabrication d'électrolytes solides inorganiques. Mais ils sont difficiles à fabriquer, coûteux et ne sont pas écologiques", a déclaré Seung Woo Lee, professeur associé à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, qui fait partie d'une équipe de chercheurs ayant découvert un polymère organique à base de caoutchouc supérieur aux autres matériaux. Les électrolytes polymères solides continuent de susciter un grand intérêt en raison de leur faible coût de fabrication, de leur non-toxicité et de leur nature souple. Cependant, les électrolytes polymères conventionnels n'ont pas une conductivité ionique et une stabilité mécanique suffisantes pour permettre un fonctionnement fiable des batteries à l'état solide.
Une nouvelle conception 3D permet d'améliorer la densité énergétique et les performances.
Les ingénieurs de Georgia Tech ont résolu des problèmes courants (transport lent des ions de lithium et propriétés mécaniques médiocres) en utilisant des électrolytes en caoutchouc. La principale avancée a consisté à permettre au matériau de former une phase tridimensionnelle (3D) de cristaux plastiques interconnectés au sein de la robuste matrice en caoutchouc. Cette structure unique a permis d'obtenir une conductivité ionique élevée, des propriétés mécaniques supérieures et une stabilité électrochimique.
Cet électrolyte en caoutchouc peut être fabriqué à l'aide d'un simple processus de polymérisation à basse température, générant des interfaces robustes et lisses à la surface des électrodes. Ces caractéristiques uniques des électrolytes en caoutchouc empêchent la formation de dendrites de lithium et permettent aux ions de se déplacer plus rapidement, ce qui permet un fonctionnement fiable des batteries à l'état solide, même à température ambiante. Le caoutchouc a été utilisé partout en raison de ses propriétés mécaniques élevées, et il nous permettra de fabriquer des batteries bon marché, plus fiables et plus sûres", a déclaré M. Lee.
"Une conductivité ionique plus élevée signifie que vous pouvez déplacer plus d'ions en même temps", a déclaré Michael Lee, chercheur diplômé en génie mécanique. "En augmentant l'énergie spécifique et la densité énergétique de ces batteries, vous pouvez augmenter le kilométrage du véhicule électrique".
Les chercheurs étudient maintenant les moyens d'améliorer les performances de la batterie en augmentant sa durée de cycle et en diminuant le temps de charge grâce à une conductivité ionique encore meilleure. Jusqu'à présent, leurs efforts ont permis d'améliorer de deux fois les performances de la batterie et sa durée de cycle.
Ces travaux pourraient renforcer la réputation de la Géorgie en tant que centre d'innovation en matière de véhicules électriques. SK Innovation, une entreprise mondiale du secteur de l'énergie et de la pétrochimie, finance des recherches supplémentaires sur le matériau de l'électrolyte dans le cadre de sa collaboration continue avec l'institut pour construire des batteries à l'état solide de nouvelle génération, plus sûres et plus denses en énergie que les batteries LI-ion classiques. SK Innovation a récemment annoncé la construction d'une nouvelle usine de batteries pour véhicules électriques à Commerce, en Géorgie, qui devrait produire un volume annuel de batteries lithium-ion égal à 21,5 gigawattheures d'ici 2023.
"Les batteries entièrement solides peuvent augmenter considérablement le kilométrage et la sécurité des véhicules électriques. Les entreprises de batteries à croissance rapide, dont SK Innovation, pensent que la commercialisation des batteries entièrement solides va changer la donne sur le marché des véhicules électriques", a déclaré Kyounghwan Choi, directeur du centre de recherche sur les batteries de nouvelle génération de SK Innovation. "Grâce au projet en cours en collaboration avec SK Innovation et le professeur Seung Woo Lee de Georgia Tech, les attentes sont élevées pour une application et une commercialisation rapides des batteries entièrement solides."
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