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Une batterie lithium-ion qui prévient quand elle va exploser

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Aux États-Unis, une équipe de chercheurs de l'université de Stanford a créé un détecteur pour batterie lithium-ion capable d'avertir l'utilisateur en cas de surchauffe et de risque d'incendie. La technologie pourrait être facilement incorporée dans les batteries existantes, que ce soient celles des appareils électroniques, des automobiles ou des avions.

Le détecteur d’incendie pour batterie lithium-ion conçu à l’université de Stanford repose sur une couche de cuivre ultrafine déposée sur l’une des faces du séparateur en polymère qui isole l’anode et la cathode. © Mark Shwartz, Stanford University

L'utilisation des batteries lithium-ion a connu une croissance fulgurante avec l'avènement de l'informatique nomade et la téléphonie mobile. Certains véhicules électriques utilisent également ce type de batterie. Mais ces dernières années, plusieurs accidents causés par la surchauffe ou l'incendie d'une batterie lithium-ion ont défrayé la chronique, suscitant peurs et rumeurs. L'université de Stanford, qui s'est récemment illustrée pour ses travaux sur l’autonomie des batteries lithium-ion, vient de présenter une technologie pour prévenir les risques de surchauffe et d'incendie. Il s'agit d'un détecteur intégré à la batterie qui avertit l'usager bien avant qu'un accident ne se produise.

Dans leur article scientifique qui vient d'être publié par Nature Communications, l'équipe de chercheurs à l'origine de ces travaux explique où réside le problème et comment elle est parvenue à y remédier. Bien que très performant, le lithium a un gros défaut : il est instable. Durant les cycles charge-décharge, ce métal gonfle et se contracte, provoquant des fissures à la surface de l'anode et des excroissances appelées dendrites. Celles-ci peuvent endommager le séparateur en polymère qui isole l'anode et la cathode tout en laissant circuler la solution électrolyte où circulent les ions. Si tel est le cas, un court-circuit se produit et peut déboucher sur l'incendie voire l'explosion de la batterie. Ce type de court-circuit est susceptible de se produire si la charge de la batterie est trop rapide ou si celle-ci est exposée à une température trop basse.

Une nanocouche de cuivre

Le détecteur imaginé par les chercheurs de Stanford est capable de déceler la formation de dendrites et de sonner l'alarme avant qu'elles ne présentent un risque pour la batterie. Leur idée est en soi assez simple. Ils ont déposé une couche de cuivre de 50 nanomètres d'épaisseur sur l'une des faces du séparateur en polymère qui s'intercale entre l'anode et la cathode. Le cuivre agit comme une troisième électrode qui mesure l'écart de tension électrique entre l'anode et le séparateur. « Lorsque les dendrites sont assez longues pour atteindre la couche de cuivre, la tension tombe à zéro. (...) C'est un signal que la batterie devrait être retirée avant que les dendrites n'atteignent la cathode et provoquent un court-circuit », explique Yi Cui, professeur de science des matériaux et de l'ingénierie à Stanford. Un message s'afficherait alors sur l'écran du terminal ou un signal sonore pourrait retentir s'il s'agit d'une autre installation.

Cela laisserait amplement le temps de réagir avant qu'un accident ne survienne. Et il serait même possible de jouer sur la précocité de l'alarme en plaçant la couche cuivre plus près de l'anode. La nanocouche de cuivre est si fine qu'elle n'altère pas le flux d'ions de lithium entre la cathode et l'anode précisent les chercheurs. « Ajouter cette fine couche conductrice ne change pas les performances de la batterie, mais cela peut faire une énorme différence pour la sécurité », estime Yi Cui.

Ce schéma illustre le principe du détecteur de dendrites. À gauche, une batterie lithium-ion standard avec sa cathode et son anode isolées par le séparateur (separator). Lorsque les dendrites (ici représentées par des points orange) traversent le séparateur, elles provoquent un court-circuit qui peut entraîner une surchauffe voire un incendie. À droite, le séparateur polymère recouvert d’une couche de cuivre (ligne pointillée) sur l’une de ses faces agit comme une troisième électrode dont la tension chute à zéro dès que les dendrites entrent en contact avec elle, ce qui permet de déclencher une alarme préventive. © Stanford University

Un procédé applicable aux batteries existantes

Cette innovation ne servirait pas uniquement pour les batteries qui équipent les terminaux mobiles comme les smartphones et tablettes ou d'autres appareils électroniques. « Certaines voitures électriques sont équipées de milliers de cellules de batterie lithium-ion. Si l'une des batteries explose, c'est tout l'ensemble qui peut potentiellement exploser », souligne le professeur Cui. Qui plus est, cette alarme incendie intégrée peut fonctionner avec des batteries utilisant d'autres matériaux comme le zinc ou l'aluminium.

Toutefois, ce type de détection a ses limites que l'équipe de Stanford tient à souligner. « Le système peut détecter les problèmes qui apparaissent dans le cadre d'un fonctionnement normal, mais il ne fonctionne pas sur des batteries endommagées lors d'une collision ou un autre type d'accident. » Il n'en demeure pas moins qu'un tel système préventif devrait devenir indispensable, voire obligatoire pour diminuer les risques.

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