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Une batterie de voiture à moitié prix
L'année dernière, la start-up de batteries A123 Systems a créé une autre société, appelée 24M, pour développer un nouveau type de batterie destiné à permettre aux véhicules électriques d'aller plus loin et de coûter moins cher. Maintenant, un document de recherche publié dans Matériaux énergétiques avancés révèle les premiers détails sur le fonctionnement de cette batterie. Il aborde également les défis liés à la mise sur le marché de la batterie.
Prototype de batterie : Deux matériaux d'électrode ressemblant à de la boue sont introduits dans l'appareil illustré ici. Le matériau de l'anode s'écoule dans la moitié supérieure et la cathode s'écoule dans la partie inférieure. Les ions lithium passent d'un matériau à l'autre et les électrons circulent à travers les fils noir et rouge.
Un gros problème avec les batteries lithium-ion utilisées dans les véhicules électriques et les hybrides rechargeables est que seulement 25 % environ du volume de la batterie est absorbé par des matériaux qui stockent l'énergie. Le reste est constitué de matériaux inactifs, tels que des emballages, des feuilles conductrices et des colles, qui rendent les batteries encombrantes et représentent une part importante du coût.
24M a l'intention de réduire considérablement la matière inactive dans une batterie. Selon les estimations du nouveau document, ses batteries pourraient atteindre presque deux fois la densité énergétique des batteries de véhicules d'aujourd'hui. Les batteries avec une densité énergétique plus élevée seraient plus petites et moins chères, ce qui signifie que les voitures électriques et hybrides seraient moins chères. Le journal estime que les batteries pourraient coûter aussi peu que 250 $ le kilowattheure, soit moins de la moitié de ce qu'elles coûtent actuellement.
Une batterie conventionnelle est composée de centaines de cellules. Chaque cellule contient un empilement de nombreuses électrodes minces et solides. Ces électrodes sont couplées à des collecteurs de courant en feuille métallique et séparées les unes des autres par des films plastiques. L'augmentation du stockage d'énergie nécessite l'ajout de plusieurs couches de matériau d'électrode, ce qui nécessite à son tour plus de couches de feuille métallique et de film plastique.
La conception du 24M permet d'augmenter le stockage d'énergie sans la feuille de métal et le film plastique supplémentaires. La principale différence est que les électrodes ne sont pas des films solides empilés dans une cellule, mais des matériaux de type boue stockés dans des réservoirs, un pour le matériau de l'électrode positive et un autre pour l'électrode négative.
Les matériaux sont pompés des réservoirs dans un petit appareil, où ils se déplacent à travers des canaux creusés dans des blocs de métal. Au fur et à mesure que cela se produit, les ions se déplacent d'une électrode à l'autre à travers le même type de matériau séparateur utilisé dans une batterie conventionnelle. Les électrons sortent du matériau vers un circuit externe. Dans cette conception, augmenter le stockage d'énergie est aussi simple que d'augmenter la taille des réservoirs de stockage - le dispositif qui permet aux électrodes d'interagir reste de la même taille. La conception élimine également le besoin de câbler ensemble des centaines de cellules pour obtenir un stockage d'énergie adéquat.
La nouvelle batterie est similaire à ce qu'on appelle une batterie à flux, dans laquelle deux électrolytes sont pompés l'un contre l'autre. Mais les batteries à flux conventionnelles sont environ 10 fois plus grandes que la nouvelle conception car elles utilisent des solutions de stockage d'énergie diluées, ce qui les rend peu pratiques pour une utilisation dans les voitures.
Les chercheurs, dirigés par Yet-Ming Chiang , professeur de science des matériaux au MIT et fondateur de A123 Systems et de 24M, a testé divers matériaux pour les électrodes, y compris l'oxyde de lithium et de cobalt, qui est couramment utilisé dans les batteries d'ordinateurs portables. Ils ont démontré que l'appareil peut se charger et se décharger aux taux nécessaires dans les véhicules électriques, dit Chiang.
L'article décrit également comment les chercheurs relèvent l'un des plus grands défis de la conception : extraire la charge électrique de la boue. Dans une cellule lithium-ion ordinaire, les électrons se frayent un chemin en sautant à travers les particules conductrices connectées dans l'électrode solide jusqu'à ce qu'ils atteignent un collecteur de courant. Dans la nouvelle batterie, les électrons ne traverseront pas l'électrolyte. Ainsi, Chiang et ses collègues ont mélangé des particules de carbone à l'échelle nanométrique dans la boue ; les particules forment spontanément des réseaux interconnectés dans le fluide pour fournir des voies permettant aux électrons de s'échapper.
Des défis restent à relever avant que la batterie ne puisse être commercialisée. La conductivité électrique est encore environ 100 fois inférieure à ce qu'elle devrait être dans un système pratique, dit Chiang. Il travaille également à augmenter la concentration de matières actives dans les boues.
Jeff Dahn , professeur de physique et de chimie à l'Université Dalhousie, note que pour atteindre les niveaux de puissance nécessaires pour propulser une voiture, la cellule électrochimique devrait encore être grande : le matériau séparateur devrait couvrir une surface d'environ trois mètres sur quatre mètres. . Il pourrait être coupé en morceaux gérables et empilés, mais cela pourrait rendre le système compliqué, et même avec cette approche, la cellule pourrait être encombrante, dit-il.
Nous faisons de bons progrès sur la technologie, déclare Throop Wilder, PDG de 24M. L'acceptation de l'article est une validation forte des principes fondamentaux qui guident notre développement. 24M compte environ 20 employés et a levé environ 16 millions de dollars.
C'est un appareil très intelligent, dit Dahn. Je ne sais pas si ce sera un jour plus qu'une idée dans un article, mais Chiang a déjà surpris les gens.