Est-il possible de construire plus petit mais plus long

Les batteries lithium-ion sont devenues indispensables pour les foyers du monde entier. Avec leur excellent stockage d'énergie, leur légèreté et leur potentiel de recharge, ces batteries trouvent maintenant leur utilisation généralisée dans les véhicules électriques (VE) et autres dispositifs de stockage d'énergie domestique.

Mais est-il possible de construire des batteries lithium-ion plus durables et plus petites de capacité égale ou supérieure ? La réponse est oui. Des chercheurs du monde entier travaillent actuellement à augmenter la capacité des batteries lithium-ion et à ouvrir la voie pour les rendre plus légères et plus petites.

Ces batteries comprennent deux bornes - une cathode (borne de charge positive) et une anode (borne chargée négativement), un électrolyte (un élément semi-fluide) et un séparateur à mi-chemin. Habituellement, le côté cathode est en lithium autour d'elle, tandis que l'anode comprend du graphite. L'ensemble du fonctionnement de ces batteries Li-ion tourne autour du mouvement des ions Li et des électrons pendant la charge et la décharge.

Celles-ci sont également appelées batteries lithium-oxygène. Elles peuvent stocker dix fois plus d'énergie que les batteries lithium-ion conventionnelles. Leurs capacités énergétiques sont comparables à l'énergie offerte par les combustibles fossiles. Cependant, ils ne sont pas encore devenus une solution viable à utiliser commercialement.

Selon la conception, dans ces batteries, l'une des électrodes est constituée de lithium, tandis que l'autre côté est constitué d'une électrode à diffusion de gaz. Lorsque ces batteries sont utilisées, les ions lithium se déplacent de la cathode à travers l'électrolyte vers l'anode, où ils se combinent avec l'oxygène, forment de l'oxyde de lithium et génèrent de l'électricité.

Cependant, la bonne nouvelle est qu'un groupe de chercheurs travaille à sa réussite. Une équipe de l'Université d'Oldenburg en Allemagne a commencé à travailler pour prolonger la durée de vie de ces batteries et faire de ces batteries au lithium-oxygène une réalité. Le projet a été nommé Matériaux et composants alternatifs pour les batteries lithium-oxygène aprotiques : chimie et stabilité des composants inactifs (AmaLiS 2.0). Le ministère fédéral de l'Éducation et de la Recherche a accordé à l'équipe du projet 1,1 million d'euros.

L'équipe travaille à tester une nouvelle idée où ils ont prévu de séparer la cathode et l'anode à l'aide d'une membrane enduite des deux côtés. De plus, l'équipe souhaite utiliser deux électrolytes différents pour les deux côtés de la batterie. Enfin, ils veulent également essayer le carbure de titane comme matériau pour l'une des électrodes.

Outre les travaux sur les batteries lithium-oxygène, plusieurs chercheurs, VE et autres entreprises travaillent à remplacer le graphite à l'anode par du silicium, un autre élément crucial. Le silicium a l'avantage de supporter dix fois plus de poids des ions lithium que le graphite lorsqu'il est utilisé dans une anode.

Mais il existe des obstacles techniques qui ont empêché son utilisation malgré ses avantages. Premièrement, son utilisation est souvent blâmée pour l'expansion volumique de l'anode lorsqu'elle est chargée d'ions lithium, ce qui conduit souvent à une rupture du matériau. Il est attribué à la contraction et à l'expansion de l'anode avec l'utilisation du silicium.

Cependant, la bonne nouvelle est que les chercheurs travaillent à une percée dans cette technologie. Par exemple, General Motors et OneD Battery Sciences travaillent sur une anode de nanotechnologie de silicium. L'équipe a affirmé que ces batteries restructurées seraient utilisées dans le SUV Mercedes Classe G d'ici la fin de 2026. De même, Group14 Technologies s'est engagé à installer sa batterie au silicium dans sa Porsche EV d'ici 2024.

Selon les chercheurs, le silicium possède des caractéristiques uniques telles que sa capacité de longue durée et sa charge rapide, qui peuvent rendre les futurs véhicules électriques plus abordables, efficaces et encore plus petits. De plus, avec sa grande abondance, son utilisation comme alternative au graphite peut également rendre les fabricants indépendants du graphite qui se trouve encore dans très peu de pays comme la Chine.

Auparavant, même la marque méga EV de Tesla avait également tenté d'augmenter la capacité de ses batteries en ajoutant un maigre 5% de silicium à l'anode de sa batterie. De plus, plusieurs autres chercheurs et entreprises investissent dans la recherche et le développement pour utiliser le silicium au lieu du graphite afin de réduire la dépendance aux importations et d'améliorer l'efficacité des batteries lithium-ion.