Et si pour charger plus vite une batterie lithium-ion, sans la détériorer, il fallait la faire chauffer ? C'est le constat des chercheurs de l'Université Park en Pennsylvanie aux USA.
Lorsque l'on prend une batterie li-ion et qu'on la soumet à une charge trop forte, il se produit un phénomène de déport de lithium métal au lieu d'un transit d'ions lithium. Ce dépôt de métal (plaquage) provoque une perte d'efficacité de l'anode (et donc une perte de capacité). Mais, plus grave, cela peut créer ce que l'on appelle des dendrites. Ce sont des "racines" de lithium qui partent de l'anode et qui peuvent créer des ponts vers la cathode. Court-circuit assuré et incendie potentiel.
On considère généralement que l'on ne peut recharger une batterie de capacité C au-delà d'une puissance de 2C. Ainsi pour une batterie 50 kWh, une puissance de 100 kW continue (DC) sera la limite. Cela permet déjà une charge à 80% en 30 minutes environ, mais c'est encore trop pour beaucoup.
Selon Chao-Yang Wang, professeur en ingénierie chimique, en ingénierie et science des matériaux, directeur centre "Electrochemical Engine" à l'Université, "Nous avons démontré que nous pouvons charger une voiture électrique pour 200 à 300 miles d'autonomie en 10 minutes. Et nous pouvons faire cela tout en conservant 2500 cycles ou l'équivalent d'un demi-million de miles".
L'équipe du professeur Wang a découvert qu'il y a une température au-delà de laquelle le phénomène de plaquage de lithium n'apparaît plus lors de la charge. Pourtant, les hautes températures ne sont pas bonnes pour les batteries. Cependant, en ne laissant chauffer la batterie que durant 10 minutes avant de la refroidir à température ambiante rapidement, la dégradation de la batterie par la chaleur reste anodine.
Les travaux du professeur Wang et de ses assistants sur ce projet sont publiés dans la revue en ligne "Joule" sous le titre "Asymmetric Temperature Modulation for Extreme Fast Charging of Lithium-Ion Batteries".
Pour leurs travaux, ils ont crée une pile li-ion avec un ajout. Une feuille très fine de nickel est ajoutée dans la pile et reliée à la cathode. Cette fine feuille ressort sur le côté de la pile, créant une troisième borne. Si on relie la cathode et cette troisième borne, la pile se met alors rapidement à chauffer. Cela permet une montée en température rapide et contrôlée.
Cette utilisation de la "température asymétrique" entre décharge et charge permet à une pile "classique" de 9,5 Ah (densité de 170 Wh/kg) d'atteindre les 1 700 cycles dits XFC (extreme fast charging ou charge extrêmement rapide en français). La charge XFC se réalise à 6C (6 fois la capacité de la batterie) jusqu'à 80% de la capacité (au-delà la charge ralentit). Cette pile conserve plus de 80% de sa capacité initiale après ce nombre de charges et décharges.
Quant à la pile "contrôlée" avec sa feuille de nickel (densité de 209 Wh/kg) elle conserve de son côté 91,7% de sa capacité initiale après 2 500 cycles XFC ! Si on suppose que l'on a un véhicule de 50 kWh environ pour 250 km d'autonomie réelle, 2 500 cycles représentent 625 000 km tout en restant au-dessus des 90% de capacité nominale. Impressionnant !
Les charges rapides sont l'une des clefs pour l'essor des véhicules électriques à batterie (VEB ou BEV en anglais). En effet, plutôt que de mettre toujours plus de kWh dans le véhicule et de rajouter 700 kg de batterie ou plus à la masse de la voiture, la charge rapide permet d'avoir une capacité plus modeste (et donc moins chère) tout en sachant que l'on pourra repartir après seulement 5 à 10 minutes d'arrêt. En outre, plus la capacité de la batterie est élevée, et plus la puissance demandée à la borne pour atteindre les 6C est élevée. Vive les capacités modestes.
De plus, cela enlève une partie de l'anxiété due aux VE. On considère souvent que l'on va rester à l'arrêt durant des heures le temps de recharger. Un trajet de plusieurs centaines de kilomètres va devenir alors un calvaire. Pour les professionnels et leurs utilitaires électriques cela permet de "faire le plein" en quelques minutes avant de repartir pour une tournée. Quant aux bus électriques, ils pourraient recharger en quelques minutes à un arrêt.
Chao-Yang Wang est professeur et titulaire de la chaire Diefenderfer en génie mécanique et nucléaire. C'est un expert du stockage de l’énergie et il est co-directeur du centre BEST (technologie de stockage de la batterie et de la technologie de stockage de l’énergie) de Penn State (l'Université), l’un des laboratoires de batteries les plus complets au monde.
Travaillent également sur ce projet Xiao-Guang Yang, professeur adjoint de recherche; Teng Liu, étudiant diplômé; Yue Gao, chercheur post-doctoral; Shanhai Ge, professeur assistant de recherche; Yongjun Leng, professeur assistant de recherche; et Donghai Wang, professeur au Département de génie mécanique.
Source et illustration : Penn State
Et si pour charger plus vite une batterie lithium-ion, sans la détériorer, il fallait la faire chauffer ? C'est le constat des chercheurs de l'Université Park en Pennsylvanie aux USA.
Retrouvez tous les soirs une sélection d'articles dans votre boite mail.
