Un électrolyte à base d’eau pourrait permettre d’éviter les explosions de batteries lithium-ion. À condition que les performances desdites batteries soient maintenues. © daviles, Fotolia

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Des batteries lithium-ion qui n'explosent pas grâce à l'oobleck

ActualitéClassé sous :technologie , batterie lithium-ion , électrolyte liquide

En injectant des nanoparticules de silice dans l'électrolyte d'une batterie, des chercheurs sont parvenus à la solidifier et ainsi la rendre ininflammable. Une trouvaille qui pourrait dans quelques années profiter aux fabricants de drones et de voitures électriques.

Dimanche dernier, du côté d'Amsterdam, la batterie d’un iPad a explosé dans un Apple Store provoquant un incendie et quatre personnes ont dû être hospitalisées pour des problèmes respiratoires. En cause, selon les pompiers, une fuite de la batterie lithium-ion à l'intérieur de l'appareil.

Cette explosion aurait-elle pu se produire si le liquide s'était solidifié ? Si l'on en croit les travaux de Gabriel Veith, la réponse est non. Avec son équipe de chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge, dans le Tennessee, il travaille justement sur la solidification du liquide contenu dans la batterie, et c'est en s'inspirant du oobleck qu'ils ont trouvé une solution !

Très connue des enfants, cette substance composée d'eau et de fécule de maïs devient solide en cas de choc, et on la classe dans les fluides non-newtoniens. Si vous n'en avez jamais manipulé, sachez par exemple que cette substance glisse entre les doigts et qu'il suffit de mettre un coup de poing pour qu'elle se durcisse. C'est quasi magique, les enfants adorent et, beaucoup de parents et d'enseignants leur apprennent à en fabriquer.

Les trois composants essentiels de la batterie lithium-ion ininflammable : la silice (dans la bassine bleue) et une couche en polymère (la feuille blanche) qui sépare les électrodes (l'étui doré). © Gabriel Veith

Des nanoparticules de silice pour solidifier l'électrolyte

Dans le cadre d'une batterie au lithium-ion, le liquide, c'est l'électrolyte, et elle prend feu en cas de court-circuit, le plus souvent consécutif à un choc. L'idée, c'est donc de s'inspirer du oobleck pour solidifier l'électrolyte, et ainsi éviter qu'elle ne prenne feu. À la place de la fécule de maïs, de la silice. Mais pour que cela fonctionne et puisse être intégré dans une batterie classique, les chercheurs ont fait appel à des nanoparticules de silice (200 nanomètres de diamètre) parfaitement rondes. Lors d'un choc, les particules de silice s'agglomèrent et bloquent l'écoulement des fluides et des ions.

« Quand on a des particules très uniformes, elles se dispersent de manière homogène dans l'électrolyte, et cela fonctionne à merveille, explique le professeur Veith. Si elles ne sont pas de taille homogène, le liquide devient moins visqueux au moment de l'impact et c'est moins bien. »

Restait ensuite à placer la silice dans la batterie. C'était l'obstacle principal, il n'était pas possible de l'injecter directement dans l'électrolyte puisque l'ensemble se durcit au moment où l'on scelle la coque de la batterie. Pour contourner ce problème, l'équipe de chercheurs a placé les particules de silice dans la batterie avant l'ajout de l'électrolyte. Ils cherchent à breveter ce procédé.

Ensuite, leurs travaux porteront sur la possibilité de continuer à faire fonctionner la batterie malgré le choc. Pour cela, l'idée serait de solidifier l'électrolyte uniquement à l'endroit où elle a subi l'impact.

Cette invention, si elle aboutit et convainc les industriels, pourrait d'abord être utilisée sur les drones, dont les chutes sont fréquentes, et les voitures électriques, avant peut-être d'intégrer nos téléphones et nos tablettes numériques...

  • Des chercheurs ont créé un prototype de batterie lithium-ion censément ininflammable en cas de choc.
  • Le principe est de protéger les électrodes avec un électrolyte liquide devenant solide sous l'effet d'une brusque contrainte mécanique, comme l'oobleck, connu des enfants, des internautes et des enseignants.
Pour en savoir plus

Batteries lithium-ion : de l’eau pour éviter les explosions

Article de Nathalie Mayer publié le 8 septembre 2017

Le risque d'explosion est l'un des points faibles des batteries lithium-ion que nous utilisons tous les jours pour alimenter nos appareils électroniques portables. Des chercheurs annoncent aujourd'hui être en mesure d'éliminer ce risque tout à maintenant les performances des batteries. Le tout grâce en recourant à un électrolyte à base d'eau. Le résultat reste cependant à perfectionner.

Dans une batterie lithium-ion conventionnelle, un solvant organique fait office d'électrolyte. Avec pour inconvénient majeur : des risques de courts-circuits pouvant conduire à l'explosion. D'où l'idée d'étudier la possibilité de recourir plutôt à un électrolyte aqueux. Mais les batteries nouvelle génération ainsi conçues ne présentent pas les performances attendues.

Ou plutôt ne présentaient pas. Des chercheurs de l'université du Maryland (États-Unis) et d'un laboratoire de recherche de l'armée américaine annoncent en effet être parvenus à dépasser un problème majeur qui se posait jusqu'alors. Car plongées dans un électrolyte aqueux, les électrodes de la batterie — en graphite ou en lithium — ont la fâcheuse tendance à subir la corrosion.

Ici, une électrode non protégée (à gauche) et une autre, protégée, (à droite) sont plongées dans l’électrolyte aqueux. Sur la première, les réactions sont visibles. Sur la seconde, il ne se passe rien. © Yang et al., université du Maryland

Un gel polymère peut protéger les électrodes

L'équipe américaine a donc mis au point un revêtement protecteur. Ce gel polymère hydrophobe se décompose à l'occasion du premier chargement de la batterie pour former une interface mince entre l'électrolyte et l'électrode. Cette dernière est alors protégée et peut remplir pleinement son rôle. Et fournir l'énergie suffisante à alimenter des appareils types smartphones ou ordinateurs portables.

Mais avant de pouvoir être commercialisé, le prototype fabriqué par ces chercheurs américains devra encore être amélioré. En effet, s'il espère rivaliser avec les batteries conventionnelles, il devra supporter (bien) plus de 500 cycles de charge-décharge. Or, aujourd'hui, il se dégrade après seulement 50 à 100 cycles.


Des batteries lithium-ion qui n'explosent jamais, c'est possible !

Article de Jean-Luc Goudet paru le 16/04/2008

Une équipe allemande vient d'annoncer des batteries au lithium-ion incorporant un polymère, avec tous les avantages de cette famille moins un inconvénient : elles ne peuvent pas exploser... À l'horizon de quelques années, cette technologie pourrait être utilisée dans les appareils mobiles mais aussi dans les voitures.

En 2006, l'année fut noire pour plusieurs fabricants d'appareils mobiles, dont les batteries lithium-ion avaient une fâcheuse tendance à s'enflammer voire à exploser. Sony, l'un des fournisseurs, a dû rapatrier plusieurs millions de batteries défectueuses dans le monde.

Un tel accumulateur embarque un électrolyte liquide, dangereux en cas de fuite, et, surtout, susceptible de subir un échauffement intempestif, conduisant à une combustion brutale voire explosive. Pour réduire le risque, il faut incorporer à la batterie un dispositif électronique de contrôle de charge et de décharge.

Ce gros défaut n'a pas empêché le développement des batteries au lithium-ion, qui sont actuellement utilisées dans d'innombrables appareils mobiles, de l'ordinateur au téléphone. Elles présentent en effet des avantages majeurs. Sans effet mémoire (il est inutile, et même déconseillé, de les vider complètement avant de les recharger), elles stockent une grande quantité par unité de masse. Cette performance, que l'on mesure en watts-heures ou en ampères-heures par kilogramme, est plusieurs fois supérieure à celle des batteries nickel-métal hydrure (Ni-MH), leurs concurrentes directes.

Le 23 décembre 2007, ce petit avion monoplace, baptisé Electra et piloté par Christian Vandamme, a parcouru plus de 50 kilomètres en 48 minutes après son décollage d'Aspres-sur-Buëch (Hautes-Alpes). Particularité : dérivé de la Souricette (inénarrable célébrité de l'aviation de loisir), l'Electra était propulsé par un moteur électrique de 25 chevaux alimenté par une batterie lithium-polymère. Nul doute que le prototype de l'Institut Fraunhofer intéressera l'équipe de l'Apame, Association pour la promotion des aéronefs à motorisation électrique... © Apame

Un autre intérêt de la batterie lithium-ion est de se prêter à la réalisation de multiples variantes. Dans l'une d'elles (lithium-polymère, ou Li-Po), un polymère, sous forme solide, remplace l'électrolyte liquide. Le risque de fuite ou d'explosion est ainsi écarté. Mais la densité d'énergie est plus faible car l'électrolyte liquide est meilleur conducteur qu'un solide.

Un jour dans les voitures ?

Les recherches sont nombreuses pour tenter d'améliorer cette technique et un pas a sans doute été franchi en Allemagne, à l'Institut Fraunhofer, par une équipe de l'ISC (Institut für Silicatforschung, Institut de recherche sur le silicate). Kai-Christian Möller et ses collègues s'apprêtent à présenter leur prototype à la Foire de Hanovre (Hanovre Messe). Leur batterie utilise un électrolyte sous forme de polymère à la fois organique et inorganique, dérivé de l'Ormocer (organically modified ceramics), déjà réalisé à l'Institut Fraunhofer. Les composés de cette famille, constitués de chaînes de silicium et d'oxygène, peuvent porter des motifs organiques, permettant de nombreuses variations chimiques autour du même thème. Les résultats, d'après Kai-Christian Möller, seraient semblables à ceux de précédents travaux en laboratoire, qui avaient atteint 75 mAh/g sous une tension de 3,1 à 4,1 volts, soit 230 à 300 watts.heures/kilogramme, soit une valeur très respectable.

Mais les performances restent encore insuffisante, en particulier la conductivité du polymère, selon les chercheurs eux-mêmes, qui imaginent les premières utilisations industrielles dans trois à cinq ans. Les ordinateurs portables, notamment, pourraient en bénéficier. Mais les scientifiques allemands voient plus loin et sont persuadés que leur technologie pourrait devenir concurrentielle avec les batteries au plomb des voitures, voire des véhicules électriques.

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