De meilleures batteries lithium-ion

Une nouvelle incarnation de batteries lithium-ion à base de polymères solides est en préparation. Startup basée à Berkeley, Californie Seeo, Inc . affirme que ses cellules lithium-ion seront plus sûres, plus durables, plus légères et moins chères que les batteries actuelles. Les batteries de Seeo utilisent des films minces de polymère comme électrolyte et des électrodes légères à haute densité énergétique. Le Lawrence Berkeley National Laboratory fabrique et teste actuellement des cellules conçues par l'entreprise dérivée de l'Université de Californie à Berkeley.

Robuste et compact : Les cellules lithium-ion qui utilisent des électrolytes polymères peuvent être emballées de manière abordable dans des sachets compacts et flexibles (illustrés ci-dessus), au lieu des conteneurs métalliques soudés au laser utilisés dans les cellules actuelles.

Les batteries lithium-ion sont utilisées dans les téléphones portables et les ordinateurs portables car elles sont plus petites et plus légères que les autres types de batteries. Ils sont également prometteurs pour les véhicules électriques et hybrides. Cependant, les matériaux et les produits chimiques conventionnels les ont empêchés d'être largement utilisés dans les voitures.

Les batteries lithium-ion d'aujourd'hui utilisent des électrodes d'oxyde de cobalt et de lithium et un électrolyte liquide, généralement des sels de lithium dissous dans un solvant organique. Le matériau de l'électrode peut libérer de l'oxygène lorsqu'il est surchargé ou perforé, provoquant l'incendie du solvant inflammable et l'explosion de la batterie. En outre, les électrodes chargées sont très réactives avec l'électrolyte liquide, ce qui réduit la puissance et [la durée de vie], dit Khalil Amine , directeur du groupe de technologie de pointe des batteries au Laboratoire national d'Argonne.

La percée clé de Seeo est un électrolyte polymère solide. Il n'est pas inflammable et donc intrinsèquement plus sûr. De plus, la batterie conservera une plus grande partie de sa capacité au fil du temps car le polymère ne réagit pas avec l'électrode chargée. Les données sur la durée de vie suggèrent que les systèmes lithium-ion conventionnels perdent environ 40% de leur capacité en 500 cycles, explique Mohit Singh, cofondateur de Seeo. Nous obtenons une bien meilleure durée de vie. Nous pouvons traverser 1 000 cycles avec moins de 5 % de perte de capacité.

Pour l'électrode négative, ou anode, l'électrolyte fonctionne également avec des films de lithium métal, plus légers que les matériaux anodiques actuels. Cela signifie que la batterie peut fournir plus d'énergie pour le même poids. Sur la base de la cellule unique de la batterie, Seeo a calculé qu'elle aurait une densité d'énergie pouvant atteindre 300 watts-heures par kilogramme, soit 50 % de plus que les batteries lithium-ion actuellement sur le marché.

Les batteries à électrolytes solides ont l'avantage supplémentaire d'être moins chères à fabriquer, dit Amine. Alors que les électrolytes liquides doivent être hermétiquement scellés à l'intérieur d'un récipient en métal soudé au laser, les électrolytes en plastique peuvent être emballés dans des sachets thermosoudés.

Les avantages des matériaux polymères ont justifié la recherche sur les électrolytes polymères depuis plus de trois décennies. En fait, on trouve déjà des batteries au lithium polymère dans les voitures radiocommandées et les lecteurs MP3. Mais ils utilisent un gel polymère contenant des solvants, ainsi, comme les électrolytes liquides, ils comportent des risques d'incendie ou d'explosion et n'ont pas une très longue durée de vie.

La fabrication de polymères solides aussi conducteurs que les électrolytes liquides a été difficile. Dans une batterie en charge, l'électrolyte conduit les ions lithium de l'électrode positive, ou cathode, à l'anode. Plus la conductivité de l'électrolyte est élevée, plus la charge de la batterie est rapide. Basé à St. Paul, MN 3M et fournisseur d'électricité basé à Montréal, Canada Hydro-Québec ont passé plus de 10 ans sur des batteries au lithium polymère solide. Mais vous devez faire fonctionner le polymère à 60 degrés Celsius pour améliorer la conductivité, dit Amine. Ce n'est pas très pratique.

Le problème est que la conductivité et la résistance mécanique d'un polymère ne vont pas de pair. Si les gens essayaient de fabriquer des polymères à haute conductivité ionique, ils se retrouveraient avec un goop, dit Singh.

Seeo a contourné le problème en réalisant des films avec des copolymères à blocs : des matériaux contenant deux chaînes polymères liées qui s'auto-assemblent en nanostructures. L'un des polymères forme un réseau de cylindres conducteurs qui sont noyés dans l'autre polymère, qui sert de matrice dure. Singh dit que le film d'électrolyte est robuste et est presque aussi conducteur que les électrolytes liquides.

La technologie de Seeo est devenue très attrayante en raison de sa revendication d'un polymère à haute conductivité, dit Amine. Cependant, l'anode de lithium pourrait être un obstacle. Le lithium a tendance à devenir rugueux à la surface et à former des dendrites cristallines qui peuvent atteindre la cathode et court-circuiter la batterie. L'entreprise devra faire des tests à long terme pour montrer que son polymère est suffisamment dur pour bloquer les dendrites.

Les électrolytes polymères ont également un gros inconvénient inhérent. Les polymères seront toujours limités par une conductivité ionique inférieure à celle des liquides, dit Singh. Cela signifie que la batterie de Seeo serait limitée à une utilisation dans les ordinateurs portables et les véhicules électriques. Mais ces polymères ne seraient pas en mesure de répondre aux applications de charge rapide comme les véhicules électriques hybrides ou les outils électriques.

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