Les batteries lithium-ion de plus grande capacité de 3M

D'ici la fin de l'année prochaine, les ingénieurs de 3M , basée à St. Paul, dans le Minnesota, s'attend à ce que les fabricants de batteries disposent de nouveaux matériaux et méthodes de fabrication qui ajouteront 30 % de capacité supplémentaire aux batteries lithium-ion. Ces nouvelles méthodes répondront également aux problèmes de sécurité liés à l'utilisation de telles batteries dans les ordinateurs portables.

Les récents rappels de batteries d'ordinateurs portables lithium-ion de Sony, en raison des craintes que les batteries ne prennent feu, comprenaient celles utilisées dans certains ordinateurs Dell et Apple et pourraient s'étendre jusqu'à 9,6 millions de batteries d'ordinateurs portables. Il n'est donc pas surprenant que, alors que Sony affirme que des changements ont été apportés dans les usines qui devraient résoudre le problème, de nombreux fabricants se démènent pour trouver une technologie plus sûre. Mais les alternatives aux batteries lithium-ion conventionnelles ont tendance à présenter des compromis, tels que des coûts accrus ou une capacité de stockage d'énergie réduite (voir Batteries plus sûres, à plus grande capacité et Comment les futures batteries seront plus durables et plus sûres).

L'avancée de 3M comprend de nouveaux électrolytes et matériaux d'électrode. Bien que les deux matériaux coûtent plus cher que les batteries lithium-ion conventionnelles, la capacité énergétique supplémentaire des matériaux d'électrode devrait compenser la dépense en abaissant la mesure clé du prix de la batterie, le coût par watt-heure, explique le spécialiste de la recherche 3M Mark Obrovac.

L'entreprise s'attaque à la sécurité des batteries en améliorant les électrolytes, le liquide à l'intérieur des batteries lithium-ion qui conduit les ions lithium mais bloque les électrons, les forçant à traverser un circuit externe pour alimenter un appareil. Dans certaines conditions, comme lorsqu'une batterie est surchargée, surchauffée ou présente un court-circuit interne causé par des dommages ou des problèmes de fabrication, l'électrolyte peut réagir chimiquement avec les matériaux des électrodes de la batterie. Dans certains cas, la batterie peut exploser, projetant de l'électrolyte dans l'air ambiant où elle peut s'enflammer comme un lance-flammes, explique Obrovac.

L'entreprise a développé des additifs pour les électrolytes existants, ainsi que de nouveaux électrolytes qui ne réagiront pas avec les électrodes. En effet, lorsqu'ils sont soumis à une flamme nue, les électrolytes les plus sûrs ne s'enflamment pas. En prime, dit Doug Magnuson, responsable technique de la recherche sur les batteries de 3M, les nouvelles chimies fonctionnent mieux à des températures extrêmement froides, telles que moins 40 degrés Celsius, auxquelles d'autres électrolytes bloquent le flux d'ions et réduisent efficacement la capacité de la batterie de 80 à 90 %. . Cette perte de capacité est désormais un obstacle majeur à l'utilisation de batteries lithium-ion dans les véhicules hybrides, qui pourraient être exposés à ces conditions. Les nouveaux électrolytes permettraient aux ions de circuler plus librement à ces températures, limitant potentiellement les pertes à environ 40 % de leur capacité, estime Obrovac.

Les ingénieurs de 3M affirment également que les nouveaux matériaux d'électrode amélioreront la capacité énergétique de la batterie de 30 %. Par exemple, l'entreprise remplace les matériaux d'anode actuels, à base de graphite, par une anode à base de silicium qui devrait doubler la quantité d'ions lithium que l'anode peut stocker. La capacité des batteries lithium-ion est limitée par la quantité de lithium pouvant être stockée dans les électrodes. Les anodes en graphite peuvent nécessiter six atomes de carbone pour stocker un seul ion lithium. Les électrodes contenant des métaux et des métalloïdes tels que l'étain ou le silicium peuvent contenir beaucoup plus d'ions lithium - près de quatre ions pour chaque atome de silicium, par exemple - en formant des alliages.

Mais de telles électrodes se sont avérées peu pratiques car le matériau peut gonfler jusqu'à trois fois sa taille d'origine car il incorpore des ions lithium. De tels changements de taille dramatiques font des ravages sur une cellule, raccourcissant sa durée de vie utile.

L'approche de 3M réduit la quantité d'expansion de l'anode en utilisant du silicium amorphe, plutôt que du silicium cristallin, et en l'associant à des matériaux inertes, aidant à stabiliser le système. Les ingénieurs de 3M ont également développé de meilleures méthodes pour déposer les matériaux sur les films qui sont ensuite enroulés pour former une batterie cylindrique. Ils optimisent maintenant ces méthodes pour une fabrication à grande échelle.

Les nouveaux matériaux réduisent mais n'éliminent pas l'expansion et la contraction lorsque les ions entrent et sortent de l'anode. En conséquence, les chercheurs développent de nouvelles conceptions de batteries capables d'absorber les changements de taille. Obrovac dit que ces conceptions, ainsi que les nouveaux matériaux d'électrode et d'électrolyte, devraient être prêts pour que les fabricants de batteries commencent à être intégrés dans leurs produits l'année prochaine.

Ted Miller, superviseur de la technologie de pointe des batteries chez Moteur Ford , à Dearborn, MI, affirme qu'un passage du graphite à ce type d'anodes est, en plus d'offrir des gains de capacité, essentiel pour faire face aux conditions extrêmement froides auxquelles ils pourraient être exposés dans les applications automobiles. Dans ces conditions, charger une batterie peut provoquer une accumulation de lithium métal, causant parfois des dommages de plusieurs mois à la batterie en quelques minutes. S'éloigner du graphite empêchera les réactions qui conduisent à l'accumulation de lithium-métal, dit Miller.

Jusqu'à présent, une seule anode à base d'alliage est utilisée commercialement : une batterie de Sony appelée Nexelium, qui utilise une anode à base d'étain. Mais cette technologie commencera à apparaître plus souvent, selon le scientifique des matériaux du MIT Yet-Ming Chiang . C'est une direction très logique pour les entreprises de batteries, dit-il.

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