Comment prolonger la durée de vie des batteries au lithium

Une percée prometteuse dans la technologie des anodes en silicium.

Les batteries jouent un rôle central dans notre quotidien, alimentant tout, des smartphones aux véhicules électriques. Malgré leurs progrès, elles ont encore une faiblesse majeure, leur durée de vie limitée. Après quelques années d'utilisation, la plupart de celles de nos appareils électroniques commencent à montrer des signes de dégradation, avec une capacité de charge qui diminue rapidement. Alors que les batteries plus grandes, comme celles utilisées pour le stockage à grande échelle ou dans les véhicules électriques, peuvent bénéficier de réglages spécifiques pour prolonger leur durée de vie, celles des appareils électroniques, plus petites et soumises à des contraintes de légèreté et de rapidité de charge, s'usent bien plus vite. Une des principales raisons de cette dégradation est la fragmentation interne des matériaux des électrodes. Ce phénomène désactive une partie du matériau, qui devient isolée du système de gestion de la charge. Résultat, du lithium est piégé à l'intérieur de la batterie, sans pouvoir être utilisé, ce qui réduit sa capacité. Une équipe de chercheurs de l'Université de Stanford a récemment découvert qu'il est possible, pour certaines batteries, de renverser partiellement cette fragmentation, et ainsi, de récupérer jusqu'à 30 % de la capacité perdue.

L’anode en silicium: un matériau prometteur

Le point central de cette découverte concerne l'utilisation du silicium comme anode dans les batteries au lithium. Le silicium peut stocker le lithium à une densité beaucoup plus élevée que d'autres matériaux d'anode, comme le graphite, ce qui signifie qu'une batterie lithium-silicium a le potentiel d'offrir une capacité considérablement supérieure. Cette densité accrue entraîne cependant une expansion importante des particules de silicium lorsque le lithium est absorbé. Cette expansion cause souvent une fragmentation des particules, menant à une dégradation rapide de la capacité de la batterie. Certaines entreprises ont développé des solutions pour contourner ce problème, tandis que d'autres ont choisi de mélanger une quantité limitée de silicium avec le graphite, afin de laisser plus de place à l'expansion. Les batteries 100 % lithium-silicium restent rares, car elles sont généralement conçues pour limiter les effets de cette expansion. Mais que se passerait-il si, au lieu d'éviter la fragmentation, on la laissait se produire et qu'on cherchait ensuite à la réparer ? C'est précisément l'idée que les chercheurs de Stanford ont explorée.

Comment restaurer la capacité perdue

La fragmentation des particules de silicium est problématique car elle déconnecte ces fragments du système de gestion de la charge de la batterie. Ces fragments, souvent encore partiellement remplis de lithium, ne participent plus au processus de charge, ce qui réduit sa capacité globale. L'idée des chercheurs est de rétablir la connexion entre ces fragments de silicium et le réseau de gestion de la charge de l'électrode. Pour ce faire, ils ont misé sur leurs propriétés polaires. Bien qu’ils n'aient pas de charge nette, leur structure polaire les rend sensibles aux champs électriques inégaux. En appliquant une tension à l'électrode, il devient possible de les attirer vers d'autres parties du réseau de charge, recréant ainsi une connexion électrique. Pour vérifier cette théorie, les chercheurs ont d'abord récupéré des fragments d'une électrode usée et les ont placés dans une solution. En y appliquant une tension, ils ont observé que les fragments se déplaçaient effectivement vers elle, confirmant ainsi leur hypothèse. Ils ont ensuite testé cette méthode sur des batteries usagées avec une anode en silicium pur, et ont constaté que cela permettait de restaurer une partie de la capacité perdue.

Des résultats prometteurs

Les résultats de ces tests sont impressionnants. Après environ 20 cycles de charge et décharge, les chercheurs ont réussi à augmenter la capacité de l'électrode de plus de 30 %. Plus impressionnant encore, lorsque la méthode a été appliquée à des batteries ayant subi plus de 200 cycles, la capacité restante a plus que doublé, augmentant de 140 %. Cette approche a fonctionné aussi bien sur des électrodes isolées que sur des batteries intégrées avec une cathode lithium-phosphate de fer. Il y a malgré tout un bémol, les batteries utilisées dans ces tests avaient subi une dégradation importante, leur capacité ayant chuté à moins de la moitié après seulement 200 cycles de charge. Cela signifie qu'elles ne seraient probablement pas pratiques pour des appareils qui en nécessitent plusieurs par semaine. La question est donc de savoir si cette technique pourrait également être efficace sur des batteries lithium-silicium qui se dégradent plus lentement.

Quelles perspectives pour l'avenir ?

Bien que ces travaux soient prometteurs, il reste encore des questions en suspens. L'étude n'aborde pas directement la possibilité d'appliquer cette méthode à des batteries lithium-silicium commerciales, qui sont conçues pour se dégrader plus lentement. Toutefois, l'un des auteurs principaux de l'étude, Yi Cui, est également le fondateur d'Amprius, une entreprise spécialisée dans les ce type de batteries, ce qui laisse entrevoir la possibilité d'applications futures dans ce domaine. De plus, cette approche pourrait potentiellement fonctionner avec d'autres matériaux d'anode sujets à la fragmentation, bien que cela soit moins probable avec le graphite, qui ne se fragmente pas de la même manière que le silicium. Quoi qu'il en soit, cette avancée ouvre la voie à des solutions nouvelles pour prolonger la durée de vie de nos batteries et améliorer leur performance. Bien qu'il reste encore des défis à relever, cette découverte offre un nouvel espoir pour des batteries plus durables et plus efficaces dans un avenir proche.