L’électrode ouvre la voie à la charge de la batterie EV en quelques minutes

Malgré tant d’autres avancées technologiques, les chercheurs n’ont toujours pas trouvé de moyen de charger les batteries de nos appareils de tous les jours ou de nos véhicules électriques (VE) en quelques minutes tout en maintenant un niveau de densité de puissance approprié pour l’application.

Cela pourrait changer bientôt, grâce à la développement d’une nouvelle électrode de batterie par des chercheurs de POSTECH et L’Université Sungkyunkwan en Corée du Sud, qui s’est concentrée sur la taille des particules des matériaux d’électrode pour proposer un dispositif de charge rapide qui pourrait potentiellement charger une batterie de VE jusqu’à 90 % en six minutes.

La recherche, dirigée par le professeur Byoungwoo Kang et le Dr Minkyung Kim du Département des sciences et de l’ingénierie des matériaux de POSTECH et le professeur Won-Sub Yoon du Département des sciences de l’énergie de l’Université Sungkyunkwan, prouve quelque chose qui n’était pas très connu auparavant.

L’équipe a démontré que lors de la charge et de la décharge de matériaux d’électrode de batterie lithium-ion, un appareil peut produire une puissance élevée en raison d’un temps de charge/décharge considérablement réduit sans réduire la taille des particules du matériau.

Le travail représente un changement dans la pensée commune en matière de conception de batterie.

« L’approche conventionnelle a toujours été un compromis entre sa faible densité d’énergie et la vitesse de charge et de décharge rapide en raison de la réduction de la taille des particules », a expliqué Kang dans un communiqué de presse. « Cette recherche a jeté les bases du développement de batteries Li-ion capables d’atteindre une vitesse de charge et de décharge rapide, une densité d’énergie élevée et des performances prolongées. »

Compromis de conception

Pour disposer d’une batterie qui charge et décharge l’énergie à un rythme rapide, les chercheurs devaient réduire la taille des particules des matériaux utilisés dans l’électrode. Il a été démontré de manière constante que cela diminue la densité d’énergie volumétrique des batteries et réduit ainsi leur puissance.

Ce que l’équipe coréenne a découvert réfute cette notion. Ils ont constaté que si une phase intermédiaire dans la transition de phase d’un matériau est formé pendant le chargement et le déchargement, il peut toujours générer une puissance élevée sans perdre de densité énergétique élevée ou réduire la taille de ses particules grâce à un processus de chargement et de déchargement rapide.

La transition de phase est le processus dans lequel le lithium est inséré et délogé pendant la charge et la décharge et la phase existante de la substance se transforme en une nouvelle phase. La découverte ouvre donc la voie au développement de batteries lithium-ion longue durée qui se chargent également très rapidement.

Dans le cas des matériaux à séparation de phases qui subissent le processus de création et de croissance de nouvelles phases au cours de ce processus, deux phases avec des volumes différents existent au sein d’une même particule, ont découvert les chercheurs. Il en résulte de nombreux défauts structurels à l’interface des deux phases qui inhibent la croissance rapide d’une nouvelle phase au sein de la particule. C’est ce phénomène qui empêche l’électrode de permettre une charge et une décharge rapides.

Résolution de problème

L’équipe a développé une méthode de synthèse qui introduit une phase intermédiaire dans un matériau d’électrode qui peut agir comme un tampon structurel pour réduire le changement de volume pendant les phases qui se produisent dans les particules de matériau. Cela leur permet d’équilibrer à la fois la densité énergétique élevée et la puissance avec un processus de charge rapide.

L’équipe a publié un article sur ses conclusions dans un récent numéro de Sciences de l’énergie et de l’environnement.

Une autre découverte que l’équipe a faite avec la création de la phase intermédiaire tampon est qu’elle peut aider à stimuler la croissance d’une nouvelle phase au sein de la particule matérielle, améliorant la vitesse à laquelle un lithium-ion dans une particule est inséré et retiré.

Cela a non seulement pris en charge une charge et une décharge rapides, mais a semblé l’accélérer en créant une réaction électrochimique homogène dans l’électrode. Grâce à cette réaction, les chercheurs ont pu synthétiser en laboratoire des électrodes capables de charger jusqu’à 90 % de la capacité de la batterie en six minutes, ainsi que de décharger 54 % en 18 secondes.

Ces résultats sont prometteurs pour le développement futur de batteries lithium-ion haute puissance et à charge rapide, telles que celles particulièrement nécessaires sur le marché des véhicules électriques.