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Batteries plus durables pour ordinateurs portables
Les batteries lithium-ion conventionnelles des ordinateurs portables et des téléphones portables perdent rapidement leur capacité à stocker de l'énergie et peuvent prendre feu si elles sont surchargées ou endommagées. Maintenant, les chercheurs de Laboratoire National d'Argonne à Argonne, dans l'Illinois, ont développé des matériaux composites pour batteries qui peuvent rendre ces batteries à la fois plus sûres et plus durables, tout en augmentant leur capacité de stockage d'énergie de 30 %.
Particules puissantes : Les nouveaux matériaux d'électrode de batterie lithium-ion, montrés ici au microscope électronique, peuvent stocker plus d'énergie, et donc de manière plus sûre, que les batteries lithium-ion conventionnelles des ordinateurs portables et des téléphones portables.
Le mois dernier, les chercheurs ont franchi une étape importante vers la commercialisation de la technologie en la concédant sous licence à une importante société de fourniture de matériaux, Toda Kogyo, basée au Japon. L'entreprise a la capacité de fabriquer les matériaux d'environ 30 millions de batteries d'ordinateurs portables par an, explique Gary Henriksen, qui dirige la recherche sur le stockage électrochimique à Argonne.
Les nouveaux matériaux sont un exemple d'une nouvelle génération de chimies d'électrodes lithium-ion qui comblent les lacunes des batteries lithium-ion conventionnelles. Chacun a ses propres compromis. Par exemple, un autre matériau appelé phosphate de fer et de lithium a une meilleure sécurité et durabilité que les matériaux d'Argonne, mais il stocke un peu moins d'énergie que les batteries lithium-ion conventionnelles. Les matériaux d'Argonne améliorent la sécurité et la fiabilité des batteries d'ordinateurs portables d'aujourd'hui, tout en stockant plus d'énergie.
Les chercheurs d'Argonne ont amélioré les performances des électrodes positives en augmentant la stabilité chimique et structurelle des matériaux déjà utilisés dans les batteries d'ordinateurs portables. Dans les batteries lithium-ion conventionnelles, qui ont des électrodes en oxyde de cobalt, une petite surchauffe, causée par une surcharge du matériau ou par des courts-circuits à l'intérieur d'une batterie, peut entraîner une augmentation rapide des températures à l'intérieur de la cellule et, dans certains cas, une combustion. En effet, lorsque le matériau surchauffe, l'oxyde de cobalt libère facilement de l'oxygène, qui réagit avec le solvant dans l'électrolyte de la batterie et génère plus de chaleur, alimentant les réactions. Les chercheurs d'Argonne ont résolu ce problème en remplaçant une partie de l'oxyde de cobalt par de l'oxyde de manganèse, qui est chimiquement plus stable.
L'étape suivante des chercheurs consistait à remplacer certains des matériaux d'oxyde métallique actifs dans l'électrode par un matériau apparenté mais électrochimiquement inactif, formant un composite. Ce matériau ne stocke pas d'énergie, car il ne libère pas et n'absorbe pas d'ions lithium lorsque la batterie est chargée et déchargée. (Les batteries lithium-ion créent un courant électrique lorsque les ions lithium font la navette entre les électrodes positives et négatives.) Le matériau inactif rend le composite plus stable que les matériaux d'électrode conventionnels, ce qui signifie qu'il peut durer plus longtemps. Une version du matériau peut durer 1 500 charges et décharges sans perdre beaucoup de capacité, dit-il. C'est plus du double de la durée de vie des batteries d'ordinateurs portables classiques.
De plus, la réduction de la quantité de matériau actif stockant l'énergie a pour effet contre-intuitif d'augmenter la capacité de stockage du composite. Si trop de lithium est retiré des matériaux d'oxyde de cobalt conventionnels, le matériau se dégrade et perd rapidement sa capacité à se charger et à se décharger complètement. Le matériau inactif permet d'utiliser beaucoup plus de lithium sans endommager le matériau.
Le matériau de l'électrode peut stocker 45 à 50 % d'énergie en plus que les meilleures électrodes des batteries d'ordinateurs portables. En termes de cellule de batterie entière, étant donné que l'électrode positive représente moins de la moitié du poids et du volume totaux d'une cellule de batterie, le stockage total d'énergie de la batterie peut être amélioré de 20 à 30 %, dit Henriksen.
La prochaine étape des chercheurs consiste à améliorer la vitesse à laquelle le matériau composite peut être chargé et déchargé afin qu'il puisse être utilisé dans des véhicules hybrides. Comme il est fabriqué maintenant, le matériau Argonne peut être complètement déchargé en environ trois heures, assez rapide pour les ordinateurs portables mais beaucoup trop lent pour une voiture. Les taux de décharge devront être au moins trois fois plus rapides, et probablement plus, pour que la technologie fonctionne dans les hybrides rechargeables, des véhicules dans lesquels la batterie peut être rechargée à partir d'une prise électrique conventionnelle.
Yet-Ming Chiang, professeur de science et d'ingénierie des matériaux au MIT, affirme que le nouveau matériau constitue une amélioration significative par rapport à l'oxyde de lithium et de cobalt pour les batteries d'ordinateurs portables. Si vous réfléchissez à un champ qui croît de 8 à 9 % par an, vous venez de vous épargner trois ans. Vous avez peut-être devancé la concurrence, dit-il. Je suis sûr que quiconque fabrique des batteries pour téléphones portables et ordinateurs portables serait très heureux d'avoir ce genre d'avantage.