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Les voitures électriques de nouvelle génération pourraient ne jamais avoir besoin d'un échange de batterie

Des ordinateurs portables aux smartphones en passant par le secteur en plein essor de la voiture électrique, notre monde dépend de plus en plus des batteries rechargeables. Mais comme le sait quiconque possède un ordinateur portable depuis plus de quelques années, les batteries finissent par perdre leur capacité à tenir une charge complète.

Les scientifiques n'ont jamais vraiment compris pourquoi cela se produit, ce qui en fait un problème difficile à résoudre. Toutefois, selon deux études récentes de chercheurs du US Department of Energy, publiées dans la revue Nature Communications, nous pourrions être plus proches que jamais d'une batterie qui ne se dégrade pas.

Travaillant spécifiquement avec des batteries lithium-ion, couramment utilisées dans les appareils grand public en raison de leur poids léger et de leur grande capacité, les scientifiques ont cartographié le processus de charge et de décharge au milliardième de mètre pour mieux comprendre le fonctionnement de la dégradation. Ils ont découvert deux coupables de la dégradation de la batterie. La première: des vulnérabilités microscopiques dans la structure du matériau de la batterie orientent les ions lithium au hasard dans la cellule, érodant la batterie de manière apparemment aléatoire, un peu comme si la rouille se propageait à travers les imperfections de l'acier. Dans la seconde étude, qui visait à trouver le meilleur équilibre entre tension, capacité de stockage et cycles de charge maximum, les chercheurs ont découvert des problèmes similaires liés au flux d'ions, mais également à de minuscules accumulations de cristaux nanométriques laissées par des réactions chimiques, qui provoquent la flux d'ions pour devenir encore plus irrégulière après chaque charge. Faire fonctionner les batteries à des tensions plus élevées conduit également à plus d'irrégularités dans le chemin des ions, et donc à une détérioration plus rapide de la batterie.

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Il peut sembler que les scientifiques auraient parfaitement compris la batterie - une technologie qui existe depuis 1800 - il y a plusieurs décennies. Mais Huolin Xin, scientifique en matériaux au Brookhaven Lab et coauteur des deux études, explique que la combinaison gagnante de nouvelles technologies n’a été mise à disposition que récemment.

«De nombreux outils de caractérisation à la pointe de la technologie, tels que les microscopes électroniques à correction d'aberration et les nouvelles techniques à rayons X synchrotron, n'étaient pas disponibles il y a 10 ans», explique Xin. Mais maintenant, dit-il, elles peuvent être appliquées à l'étude des batteries lithium-ion.

Les nouvelles données donnent aux chercheurs une idée plus précise du fonctionnement de ces batteries, ce qui pourrait donner lieu à des batteries plus durables dans les appareils électroniques grand public dans un avenir proche. Mais cela pose aussi de nouveaux problèmes. Selon M. Xin, maximiser la surface utile est important pour la performance de la batterie, mais une surface plus grande facilite également la dégradation.

"Pour éviter la [dégradation de la surface], nous pouvons recouvrir la cathode d'une couche de protection", explique Xin, "ou masquer ces surfaces en créant des limites dans les poudres de la taille d'un micron [à l'intérieur de la cellule]".

Trouver les moyens les plus efficaces et les plus rentables de faire cela fera partie d'une future phase de la recherche.

Mais Daniel Abraham, un scientifique spécialisé dans la recherche sur les batteries lithium-ion au Laboratoire Argonne National, près de Chicago, est sceptique quant au fait que les nouvelles études représentent une réelle avancée. Il explique que des travaux de cartographie avec des matériaux similaires ont déjà été réalisés, y compris par son équipe il y a environ 12 ans. Il pense également que la dégradation de la batterie peut être plus complexe que ce que les nouvelles études ont révélé.

«Ils essaient de faire une corrélation entre la dégradation des performances et les images qu’ils voient, ce qui pourrait ne pas être correct», explique Abraham. "C'est en partie l'histoire, mais je ne pense pas que ce soit toute l'histoire."

Xin, est plus optimiste sur le fait que le travail conduira à des améliorations de la batterie, non seulement pour les futurs véhicules électriques, mais aussi pour l'électronique portable.

«La cathode au nickel-nickel-manganèse-oxyde de cobalt a récemment été identifiée comme le seul matériau commercialement viable pour les batteries lithium-ion de nouvelle génération», a déclaré Xin. «En résolvant son problème de dégradation, nous pouvons réduire la taille des batteries de la prochaine génération et les rendre plus fiables.»

Les deux experts en batteries s'accordent toutefois sur le fait que, pour de nombreuses applications importantes à venir, trouver un moyen de fabriquer des batteries qui ne s'usent pas aussi rapidement est tout aussi important que de créer des batteries de plus grande capacité.

Xin souligne que les acheteurs de voitures électriques s'inquiètent à juste titre de la défaillance d'une batterie après l'expiration de leur garantie. Abraham note que, même si vous n'avez probablement besoin que de quelques années de performances de la batterie de votre smartphone ou de votre tablette, pour les véhicules électriques, la plupart des propriétaires recherchent une batterie qui dure 10 à 15 ans. Et pour une utilisation dans le réseau électrique (pour stocker l'énergie excédentaire produite pendant les heures creuses), les batteries devraient durer 30 ans ou plus.

Cela facilite beaucoup la construction d’une batterie de meilleure qualité pour votre ordinateur portable que la résolution de problèmes de longévité dans d’autres domaines.

«Il est bon d'avoir une densité d'énergie plus élevée, mais si vous obtenez une densité d'énergie élevée, mais pas une longue durée de vie, la viabilité commerciale de ces technologies est remise en question», dit Abraham. «Tandis que si vous pouvez montrer que vous avez une nouvelle technologie qui peut durer entre deux et trente ans, elle devient immédiatement viable sur le plan commercial.»

Bien que le travail de Xin et de ses collègues puisse aider les chercheurs à créer des batteries qui ne se dégradent pas aussi rapidement, il est clair que d'autres percées seront nécessaires avant de pouvoir utiliser des batteries rechargeables qui durent au moins 10 ans sans s'user sérieusement.

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