Une étude révèle de nouvelles percées dans la charge rapide des batteries lithium-ion

Rechargez vos batteries

Tao Gao, professeur adjoint en génie chimique à l’Université de l’Utah, en a appris davantage sur la nature des batteries lithium-ion qui pourraient conduire à des batteries qui se rechargent beaucoup plus rapidement qu’auparavant. Crédit: Vincent Horiuchi / Université de l’Utah College of Engineering

La limitation la plus frustrante de la possession d’une voiture entièrement électrique est peut-être le temps qu’il faut pour charger complètement la batterie. Pour une Tesla, par exemple, il faut environ 40 minutes pour la charger à 80% de sa capacité en utilisant la station de charge la plus puissante.

Les scientifiques ont longtemps pensé que les lois de la physique limitaient la vitesse à laquelle vous pouviez recharger une batterie en toute sécurité, mais de nouvelles recherches menées par le professeur adjoint en génie chimique de l’Université de l’Utah, Tao Gao, ont ouvert la porte à la création d’une batterie qui peut être rechargée en une fraction du temps. .

Les recherches de Gao ont été détaillées dans un nouvel article publié dans la revue scientifique Joule. L’étude a été menée alors que Gao était chercheur postdoctoral au Massachusetts Institute of Technology sous la supervision du professeur de génie chimique du MIT, Martin Z. Bazant. Gao poursuit actuellement ces recherches à l’Université de l’Utah, où il développe davantage de batteries lithium-ion avancées capables de se recharger rapidement.

«Cette compréhension jette les bases des futurs travaux d’ingénierie nécessaires pour relever ce défi», déclare Gao. « Maintenant, nous savons où aller. Nous avons une vision claire de ce qui doit être fait. »

Les batteries au lithium-ion sont devenues un choix populaire pour les appareils électroniques portables et les véhicules tout électriques en raison de leur haute densité d’énergie, de leur faible poids et de leur longue durée de vie. Ils sont également utilisés dans les ordinateurs portables, les appareils électriques portables et pour le stockage de l’énergie solaire.

Mais la rapidité avec laquelle une batterie lithium-ion peut se recharger est entravée par un phénomène connu sous le nom de «placage au lithium», une réaction secondaire qui se produit lorsque les ions lithium sont introduits trop rapidement dans les particules de graphite. Gao compare le fonctionnement d’une batterie lithium-ion à une balle de ping-pong frappée d’avant en arrière sur une table. La bille, ou lithium-ion, passe de l’électrode positive à l’électrode négative pendant le processus de charge. Le taux de charge est similaire à la vitesse de déplacement de la balle. Le placage au lithium se produit lorsque le lithium-ion se déplace trop rapidement et que les particules de graphite de la batterie ne parviennent pas à l’attraper, explique Gao. Pendant la charge, cela peut être dangereux et provoquer un incendie ou une explosion de la batterie, ce qui limite la rapidité avec laquelle les batteries peuvent être rechargées. Il peut également sérieusement dégrader la batterie, limitant sa durée de vie.

La découverte de Gao révèle la physique importante qui régit les phénomènes de placage de lithium dans les particules de graphite pendant le chargement de la batterie et permet la prédiction du placage de lithium dans le fonctionnement d’une batterie.

«Nous avons conçu une expérience qui permet de visualiser ce qui arrive à l’électrode négative pendant la charge. Nous pouvons voir la particule de graphite – le matériau de l’électrode négative – et nous pouvons voir ce qui se passe pendant la charge de la batterie en temps réel», dit-il. «Maintenant, nous comprenons la physique. Cela nous donne des indications pour remédier à cette limitation et améliorer les performances de charge de la batterie.

Gao pense qu’avec cette nouvelle compréhension, les nouvelles technologies pourraient créer une batterie de voiture qui pourrait être complètement chargée cinq fois plus vite que la normale, ou en un peu plus de 10 minutes, sans risque de danger ou de dégradation trop rapide, dit-il. Les smartphones, qui prennent généralement plus d’une demi-heure avec le chargeur le plus rapide, pourraient également être complètement chargés en seulement 10 minutes, dit-il.

Maintenant que Gao et ses co-chercheurs ont une meilleure compréhension de la science derrière la charge lithium-ion, il pense que nous pourrions voir des téléphones cellulaires avec de meilleures batteries en aussi peu que trois à cinq ans et des voitures entièrement électriques en moins de cinq ans. à 10 ans.


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Plus d’information:
Tao Gao et al, Interplay of Lithium Intercalation and Plating on a Single Graphite Particle, Joule (2021). DOI: 10.1016/j.joule.2020.12.020

Informations sur le journal:
Joule

Fourni par l’Université de l’Utah

Citation: Une étude révèle de nouvelles avancées dans la charge rapide des batteries lithium-ion (2021, 24 mars) récupéré le 13 avril 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-03-inroads-fast-lithium-ion-batteries.html

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