Les avancées technologiques en matière de batteries pourraient augmenter leur durée de vie et leur durabilité.
Avec l’augmentation de la demande pour les véhicules électriques et le stockage d’énergie renouvelable, le besoin de technologies de batteries avancées n’a jamais été aussi pressant. Les batteries lithium-ion traditionnelles, bien que fiables, rencontrent des limites en matière de disponibilité des matières premières, de préoccupations environnementales et de durabilité des performances. Alors que chercheurs et entreprises s’efforcent de surmonter ces obstacles, des solutions alternatives émergent pour aborder des défis spécifiques.
Les récentes percées dans la technologie des batteries pourraient redéfinir la manière dont l’énergie est stockée et utilisée.
Pack de batterie de véhicule électrique. Image utilisée avec la permission de Wikimedia Commons
La Batterie en Diamant
Des chercheurs de l’Autorité britannique de l’énergie atomique et de l’Université de Bristol ont abordé les défis liés à la durée de stockage et aux déchets nucléaires avec une batterie en diamant au carbone-14.
Cette batterie tire son énergie de la désintégration radioactive du carbone-14, un sous-produit nuisible des réacteurs nucléaires en raison de la radiation qu’il émet, pouvant nuire au corps humain. Enveloppée dans une coque en diamant synthétique, elle convertit les électrons rapides issus de la désintégration en un courant électrique continu à faible puissance, la structure en diamant protégeant efficacement contre la radiation. Mesurant environ 10 mm sur 10 mm et moins de 0,5 mm d’épaisseur, la batterie est très compacte et conserve la moitié de sa puissance initiale même après 5 700 ans (c’est-à-dire la demi-vie du carbone-14).
Échantillon de batterie en diamant. Image utilisée avec la permission de Université de Bristol
Le processus de fabrication de la batterie utilise un dépôt de plasma pour former l’enveloppe en diamant. En utilisant près de 95 000 tonnes de carbone-14 à base de graphite provenant des déchets nucléaires au Royaume-Uni, la batterie réduit les coûts de stockage et les risques écologiques associés aux matériaux radioactifs.
Des tests préliminaires suggèrent une évolutivité et une adaptabilité pour des environnements extrêmes, ce qui amène les chercheurs à envisager des applications potentielles dans les implants médicaux, l’exploration spatiale lointaine et les capteurs distants.
Augmenter l’espérance de vie des batteries de véhicules électriques
Des chercheurs de l’Université de Stanford et du Laboratoire national SLAC ont abordé le défi de la prévision précise des durées de vie des batteries de véhicules électriques.
Les tests en laboratoire traditionnels s’appuient sur des cycles de charge-décharge constants, ce qui sous-estime la longévité des batteries dans des conditions de conduite réelles. En étudiant 92 batteries lithium-ion commerciales pendant deux ans et en utilisant l’apprentissage automatique, les chercheurs ont développé des profils de décharge dynamiques basés sur des comportements de conduite réels, incluant des accélérations fréquentes, des freinages et des périodes à l’arrêt. Ces profils ont révélé que les batteries de véhicules électriques pourraient durer 30 à 40 % plus longtemps que les estimations précédentes, prolongeant ainsi la durée de vie de packs de batteries coûteux.
Les quatre profils de décharge de l’étude. Image de Geslin et al.
Contrairement aux hypothèses traditionnelles, ils ont découvert que les accélérations brutales et les événements de freinage réduisent la dégradation des batteries. De plus, l’étude a mis en évidence l’équilibre entre le vieillissement induit par le temps, qui prévaut pour l’utilisation grand public, et le vieillissement induit par les cycles, courant dans les véhicules commerciaux.
Amélioration des Batteries Sodium-Ion
En raison des pénuries de lithium, des chercheurs du Laboratoire national d’Argonne ont fait progresser la technologie des batteries sodium-ion en s’attaquant à un obstacle de performance majeur.
Les batteries sodium-ion ont souffert d’une dégradation rapide due à des fissures dans les particules de cathode lors des cycles. L’équipe a développé une méthode pour atténuer ces fissures en utilisant un design de cathode en oxyde de sodium-ion basé sur un modèle lithium-ion. En optimisant le taux de chauffage lors de la synthèse de la cathode à un degré par minute, ils ont éliminé les fractures induites par des contraintes dans des particules à structure en gradient où des cœurs riches en nickel sont entourés de coquilles riches en manganèse pour la capacité et la stabilité, respectivement.
L’équipe de recherche a réduit les microcontraintes dans les particules en cœur-coquille. Image utilisée avec la permission de Laboratoire national d’Argonne
Le processus de synthèse impliquait de chauffer un matériau précurseur mélangé avec de l’hydroxyde de sodium à 600 °C, avec un suivi structurel en temps réel grâce à des techniques avancées de rayons X. Les particules uniformément distribuées ne montraient aucune fissure, tandis que les particules à structure en gradient subissaient des fractures induites par des contraintes du cœur à la coquille avec des taux plus élevés. Les cathodes optimisées ont maintenu leur performance sur 400 cycles lors des tests, démontrant une durabilité améliorée.
Les chercheurs pensent que ce développement rapproche la technologie sodium-ion de la parité avec les systèmes lithium-fer-phosphate. Les efforts futurs visent à éliminer le nickel, à améliorer la durabilité et à réduire les coûts.
Nouvelles Directions
Cette série de récentes avancées en matière de batteries illustre une attention croissante à la redéfinition des solutions énergétiques pour une durabilité et une efficacité à long terme. À mesure que les industries et les chercheurs collaborent davantage, le potentiel d’intégration de telles technologies dans des applications quotidiennes est immense et enthousiasmant.