Les batteries lithium-ion alimentent une vaste gamme d’appareils, des smartphones et ordinateurs portables aux véhicules électriques. Bien que pratiques, ces batteries présentent un risque pour la sécurité : si elles sont percées ou pliées, elles peuvent s’enflammer dans une réaction en chaîne dangereuse. Cependant, les chercheurs ont réalisé une avancée significative, démontrant un moyen de créer des batteries lithium-ion intrinsèquement plus sûres grâce à une modification étonnamment simple : en changeant un seul matériau dans la construction de la batterie. Cette avancée pourrait conduire à une production massive de batteries plus sûres dans les prochaines années.
Comprendre le risque : emballement thermique
Les batteries lithium-ion fonctionnent selon une conception spécifique : une électrode en graphite, une électrode en oxyde métallique et un électrolyte constitué d’un sel de lithium dissous dans un solvant. Cet électrolyte liquide permet aux ions lithium de circuler, permettant ainsi à la batterie de se charger et de se décharger. Cependant, cette conception même les rend vulnérables. Si une batterie est endommagée (percée ou pliée) créant un court-circuit, l’énergie chimique stockée peut être libérée extrêmement rapidement. Cette libération rapide d’énergie déclenche un processus appelé « emballement thermique », qui conduit à un incendie, voire à une explosion.
Solutions de sécurité actuelles et nouvelle approche
Les scientifiques ont exploré diverses stratégies pour atténuer ce risque. Certaines approches impliquent des gels protecteurs ou des remplacements solides de l’électrolyte liquide. Cependant, une équipe de l’Université chinoise de Hong Kong a développé une nouvelle conception qui conserve l’architecture de batterie existante. Leur innovation cruciale réside dans la modification du matériau électrolytique, en maintenant les coûts de production et les processus de fabrication relativement inchangés.
La clé : isoler l’anion “Bad Boy”
La cause première de l’emballement thermique est la rupture des liaisons chimiques. Plus précisément, les ions chargés négativement appelés anions rompent leurs liens avec le lithium présent dans la batterie. Cette rupture de liaison libère de la chaleur, accélérant le cycle destructeur.
Pour éviter cela, les chercheurs ont introduit un solvant secondaire appelé lithium bis(fluorosulfonyl)imide. Ce nouveau solvant ne se lie au lithium qu’à des températures plus élevées, en particulier lorsque l’emballement thermique commence déjà. Contrairement au solvant conventionnel, ce nouveau matériau ne permet pas la formation de liaisons anioniques, coupant ainsi la source du dégagement de chaleur croissant. Lors d’une démonstration, une batterie utilisant ce nouveau solvant ne s’est réchauffée que de 3,5°C lorsqu’elle est percée avec un clou, un contraste saisissant avec l’augmentation de température de 500°C observée dans les batteries conventionnelles.
“Le mauvais garçon est l’anion, qui possède beaucoup d’énergie de liaison – et ce sont ces liaisons qui se brisent qui provoquent un emballement thermique”, explique Gary Leeke de l’Université de Birmingham. “Cette nouvelle approche isole le mauvais garçon de ce processus – c’est un grand pas en avant en termes de sécurité des batteries.”
Performances et perspectives d’avenir
Les batteries modifiées ont montré des performances prometteuses. Les tests ont révélé qu’ils conservaient 82 % de leur capacité après 4 100 heures d’utilisation, ce qui les rend compétitifs par rapport à la technologie existante. Les experts prédisent que ce solvant innovant pourra être intégré dans la prochaine génération de batteries, ouvrant ainsi la voie à une production de masse d’ici trois à cinq ans. Cette avancée marque une étape importante vers un stockage d’énergie plus sûr et plus fiable pour un large éventail d’applications. > Ce changement de matériaux relativement simple promet de révolutionner la sécurité des batteries, en minimisant les risques d’incendies et d’explosions dans les appareils du quotidien et les véhicules électriques.
