Des batteries lithium-ion stables à haute densité énergétique pourraient conduire à une recharge rapide des véhicules électriques

Une équipe de recherche a développé une technologie de base pour garantir la stabilité de charge/décharge et la longue durée de vie des batteries lithium-ion dans des conditions de charge rapide. Leurs conclusions ont été publiées dans Matériaux fonctionnels avancés.

Une condition préalable cruciale à l’adoption généralisée des véhicules électriques (VE) est l’amélioration des performances des batteries lithium-ion en termes d’autonomie et de sécurité. Une charge rapide est également essentielle pour le confort de l’utilisateur. Cependant, l’augmentation de la densité énergétique des batteries lithium-ion nécessite des électrodes plus épaisses, ce qui peut entraîner une dégradation de la batterie et une détérioration des performances lors d’une charge rapide.

Pour résoudre ce problème, l'équipe KERI a découvert une solution en recouvrant partiellement la surface de l'anode de la batterie lithium-ion avec de l'oxyde d'aluminium (Al₂Ô₃) particules inférieures à 1 micromètre. Alors que de nombreux chercheurs du monde entier se sont concentrés sur les matériaux contenus dans l'électrode, par exemple en introduisant la nanotechnologie fonctionnelle dans des matériaux d'anode comme le graphite, l'équipe du Dr Choi a utilisé une technique de traitement simple pour recouvrir la surface de l'électrode d'oxyde d'aluminium.

Peu coûteux, excellent en termes d'isolation électrique et de résistance à la chaleur, chimiquement stable et possédant de bonnes propriétés mécaniques, l'oxyde d'aluminium est largement utilisé dans diverses céramiques.

Les chercheurs de KERI ont découvert que les particules d'oxyde d'aluminium contrôlent efficacement l'interface entre l'anode et l'électrolyte dans les batteries lithium-ion, formant ainsi une autoroute interfaciale pour un Li efficace.⁺ transport. Cela empêche l'électrodéposition du lithium (un changement irréversible qui rend le lithium indisponible pour une charge et une décharge supplémentaires) pendant une charge rapide, garantissant ainsi la stabilité et la durée de vie de la batterie lithium-ion pendant la charge et la décharge.

Un autre avantage de cette technologie est qu’elle permet d’augmenter la densité énergétique des batteries lithium-ion. L'introduction d'autres matériaux fonctionnels à l'intérieur de l'électrode pour améliorer les performances et la stabilité complique souvent le processus de synthèse et réduit la quantité de lithium réversible (efficacité coulombienne initiale). Cela augmente également l’épaisseur de l’électrode, entraînant une détérioration des performances dans des conditions de charge rapide.

Cependant, la technologie KERI implique un traitement de surface de l'anode en graphite, plutôt que de modifier les matériaux de graphite actifs intérieurs. Cette approche permet d'obtenir des performances stables même dans des conditions de charge rapide pour les électrodes à couche épaisse à haute densité énergétique sans perte de quantité de lithium réversible.

Grâce à divers tests, l'équipe a confirmé que l'anode à haute densité énergétique recouverte d'oxyde d'aluminium (4,4 mAh/cm²) présente des performances de classe mondiale, conservant plus de 83,4 % de sa capacité (rapport de capacité résiduelle) même après 500 cycles de charge rapide. Ils ont vérifié cette performance avec des cellules de poche allant jusqu'à 500 mAh. L’équipe envisage désormais d’étendre la technologie pour la rendre applicable aux cellules de grande surface, de moyenne à grande capacité.

L'équipe de recherche était dirigée par le Dr Choi Jeong Hee du Centre de recherche sur les matériaux et les processus de batterie de l'Institut coréen de recherche en électrotechnologie (KERI), en coopération avec une équipe de l'Université de Hanyang encadrée par le professeur Lee Jong-Won et une équipe de l'Université de Kyunghee encadrée par le professeur Park. Min-Sik.

« La recharge rapide et pratique et la densité énergétique des batteries lithium-ion ont longtemps été considérées comme un compromis, ce qui a entravé l'adoption généralisée des véhicules électriques », a déclaré le Dr Choi. « Notre travail contribuera à développer des batteries lithium-ion stables, à haute densité énergétique et capables de se charger rapidement. Cette avancée contribuera à l'adoption plus large des véhicules électriques et soutiendra la réalisation de la neutralité carbone nationale.

Des brevets ont été enregistrés en Corée et aux États-Unis.