Peu d'inventions récentes ont prouvé leur valeur plus que l'humble batterie lithium-ion. Cela ne fait que 30 ans qu'ils ont quitté le laboratoire, mais ce sont eux qui propulsent les smartphones dans les paumes du monde et mettent les voitures électriques sur la route. Ils ne feront que gagner en importance en tant que composants critiques des réseaux d'énergie renouvelable.
Depuis le début des années 1990, le prix de ces batteries a plus que triplé, alors même qu'elles sont devenues de plus en plus puissantes. Mais ils ne sont pas parfaits. D'une part, ils luttent dans le froid profond. À des températures qui ne seraient pas inconnues de quiconque connaît des hivers particulièrement rigoureux, ces batteries ne tiennent pas leur charge ou ne la délivrent pas.
Mais les scientifiques tentent de fabriquer des batteries plus résistantes. Dans un article publié dans la revue ACS Central Science le 8 juin, des ingénieurs chimistes de plusieurs universités chinoises ont travaillé ensemble pour construire une meilleure batterie qui résiste jusqu'à moins 31 °F.
D'après des études antérieures, les scientifiques savaient que la plupart des batteries lithium-ion commencent à stagner à environ moins 4 ° F. En dessous de ce point, ils ne détiennent pas autant de charge et ils ne sont pas aussi bons que le transfert, ce qui signifie qu'il est plus difficile de les utiliser pour l'alimentation. Et plus il fait froid, moins ils sont performants.
Pour la majeure partie du monde, les températures inférieures à zéro ne sont pas un problème. Mais si vous vivez, par exemple, dans le Midwest américain, votre voiture électrique pourrait avoir moins d'autonomie en janvier que vous ne le souhaiteriez. Et si vous avez déjà été pris à l'extérieur pendant l'hiver glacial, vous avez peut-être remarqué que la batterie de votre téléphone a tendance à se décharger plus rapidement.
Cet inconvénient signifie également que les batteries lithium-ion ne peuvent pas fonctionner aussi bien que les ingénieurs pourraient l'espérer dans d'autres endroits où le froid est généralement inférieur à zéro :au sommet des montagnes, dans les airs où volent des avions commerciaux ou dans le froid d'un espace non éclairé.
Il existe donc de nombreuses recherches qui traitent du problème, selon Enyuan Hu, un chimiste des batteries au Laboratoire national de Brookhaven qui n'a pas participé à l'article. Et pour ce faire, ingénieurs et chimistes doivent bricoler les entrailles d'une batterie.
En son cœur, une batterie lithium-ion est constituée de deux plaques chargées électriquement, l'une négative, l'autre positive. L'espace central est rempli d'un électrolyte, qui est une suspension électriquement conductrice contenant des ions dissous. La plaque négative est typiquement à base de carbone, comme du graphite; la plaque positive contient généralement des atomes de métal et d'oxygène.
Et les ions lithium sont ce qui fait fonctionner la batterie, d'où son nom.
Lorsqu'une batterie fonctionne, ces ions tombent de la plaque positive, traversent l'électrolyte comme des poissons dérivant dans une rivière et atterrissent sur la plaque négative, produisant des secousses constantes d'électricité dans le processus. Lorsque vous branchez une batterie pour la recharger, le courant électrique force les ions à fuir dans la direction opposée. Cela fonctionne, sans trop de problèmes, et ces ions lithium en mouvement alimentent votre téléphone ou votre voiture pendant des heures.
Autrement dit, cela fonctionne jusqu'à ce que la batterie refroidisse à moins de 4 ° F. Au cours des dernières années, les scientifiques ont découvert qu'une grande partie du problème était liée au mouvement des ions eux-mêmes, qui ont du mal à sortir correctement de l'électrolyte et à atterrir sur la plaque négative. Les scientifiques ont tenté d'atténuer ce problème en fabriquant des électrolytes plus résistants qui résistent mieux au froid.
Ces derniers chercheurs, cependant, ont adopté une approche différente :ils ont plutôt bricolé cette plaque négative à base de carbone. Ils ont décidé de remplacer le graphite par un tout nouveau matériau. Ils ont chauffé un composé contenant du cobalt à des températures très élevées - près de 800 ° F - produisant de petites pépites, en forme de dés à 12 faces, faites d'atomes de carbone. Les chercheurs ont façonné ces dodécaèdres de carbone en une plaque plus bosselée que le graphite plat, ce qui lui permet de mieux saisir les ions lithium.
Lorsqu'ils ont testé leur batterie, ils ont constaté qu'elle fonctionnait à des températures aussi glaciales que moins 31 °F. Même après plus de 200 cycles de décharge, charge et recharge, cette batterie a maintenu ses performances.
« Le matériel est scientifiquement intéressant », dit Hu. "Mais son application pratique peut être limitée, car elle nécessite [une] voie de synthèse compliquée."
C'est le hic. Comme pour de nombreux matériaux, essayer de créer davantage de ces minuscules orbes de carbone est un défi. Ce qui n'aide pas, c'est que le composé de cobalt est plutôt cher. D'autre part, dit Hu, cette recherche peut être utile pour des applications très spécifiques.
Ce n'est donc pas la fin de cette quête, mais plutôt la prochaine étape progressive. Mais, chaque jour qui passe, les scientifiques repoussent toujours plus loin les limites de ces batteries cruciales.
