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Batteries lithium-métal : définition, fonctionnement, autonomie

Elles ont une chimie différente, mais fonctionnent comme des batteries lithium-ion. Elles offrent une densité et une vitesse de charge record, mais ne durent que peu de temps.

batteries lithium-métal : définition, fonctionnement, autonomie

Dans le monde diversifié des batteries rechargeables, les batteries lithium-métal suscitent un intérêt croissant. Elles se distinguent des batteries lithium-ion par l’utilisation de lithium métallique pour l’anode (dans les batteries lithium-ion, celle-ci est constituée de graphite ou de silicium).

Cette solution permet aux accumulateurs du premier type d’être plus performants en termes de densité énergétique, mais présente un problème inhérent à leur durée de vie, qui est trop courte.

Toutefois, ces derniers temps, plusieurs entreprises ont considérablement amélioré la technologie et les batteries au lithium-métal font donc lentement leur retour. De plus en plus d’entreprises entrent dans le secteur et de plus en plus de constructeurs automobiles investissent dans la recherche et le développement.

Haute densité, haute instabilité

Commençons d’abord par un voyage dans le passé : les batteries lithium-métal ont été mises au point il y a plus d’un demi-siècle. Au départ, cette chimie était utilisée pour les produits jetables, précisément parce que la grande quantité d’énergie qu’elles pouvaient stocker leur permettait d’être utilisées plus longtemps. Elles étaient plus chères que la moyenne et également plus compliquées à produire, mais convenaient mieux aux applications “énergivores”.

batteries lithium-métal : définition, fonctionnement, autonomie Une batterie au lithium métallique présentée au CES 2024

Dans les années 1980, la première batterie rechargeable au lithium-métal est apparue sur le marché. Elle a été accueillie avec beaucoup d’intérêt, mais en raison de graves problèmes de fiabilité, elle a été retirée du marché. En raison du faible rendement Faraday dont souffrent toutes les batteries au lithium-métal, elle était sujette à des réactions chimiques secondaires indésirables lors de la charge et de la décharge, ainsi qu’à la formation de dendrites. Cela entraînait souvent des courts-circuits avec le risque d’incendie associé.

Le bon électrolyte est nécessaire

Maintenant, revenons à notre époque. Les batteries lithium-métal sont encore plus chères à produire que les batteries lithium-ion, mais leurs performances justifient leur prix plus élevé. Outre leur densité plus élevée, les batteries lithium-métal peuvent être rechargées beaucoup plus rapidement. Mais comment rendre cette technologie définitivement mature ? Le secret réside dans l’électrolyte.

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Électrolyte solide pour les batteries lithium-métal

Comme nous l’avons mentionné, les batteries lithium-métal fonctionnent de manière équivalente aux batteries lithium-ion. Elles se composent d’une électrode négative (anode) et d’une électrode positive (cathode), d’un séparateur qui sépare les deux pôles et d’un électrolyte qui permet aux ions de passer dans un sens et dans l’autre. C’est précisément en utilisant le bon électrolyte que les batteries au lithium métal peuvent devenir plus sûres et plus durables. La recherche a également montré qu’il n’existe pas de méthode unique pour trouver la bonne formule chimique.

L’électrolyte liquide est parfait

Les chercheurs de Vilas Pol Energy Research à l’université Purdue de Lafayette, aux États-Unis, ont par exemple opté pour un électrolyte liquide. Plus précisément, ils ont utilisé un solvant d’électrolyte hautement apolaire qui s’est avéré particulièrement efficace pour permettre à la batterie d’avoir un comportement stable et des performances constantes dans le temps. Par rapport à la batterie lithium-ion moyenne sur le marché, la batterie lithium-métal de l’institut de recherche américain a une densité supérieure de 40 % et ne présente pratiquement pas de formation de dendrites.

Les scientifiques de la Pritzker School of Molecular Engineering de l’université de Chicago ont également mis au point un électrolyte liquide ininflammable et non volatile : il est sûr et pourrait même doubler la densité de la batterie, mais il s’agit pour l’instant d’un produit qui est encore testé en laboratoire.

L’électrolyte solide

Certaines entreprises et universités estiment que la batterie au lithium-métal est la plus prometteuse lorsqu’elle est combinée à un électrolyte solide. C’est le cas de Factorial, une entreprise dans laquelle ont investi de nombreux groupes automobiles tels que Stellantis, Mercedes et Hyundai-Kia. L’entreprise américaine (basée dans le Massachusetts) a présenté des cellules de 100 ampères-heure qui devraient pouvoir être utilisées dans les voitures.

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La batterie à semi-conducteurs de 100 Ah de Factorial

Elles sont prêtes, ont reçu la certification de sécurité des Nations unies et sont actuellement testées par les constructeurs automobiles qui ont soutenu financièrement l’entreprise. Elles promettent une densité de 50 % par rapport aux batteries lithium-ion.

Toujours dans le domaine des électrolytes solides, des chercheurs américains et canadiens ont collaboré pour développer un électrolyte à base de lithium qui résiste efficacement à la formation de dendrites et garantit des performances acceptables pendant 1 500 cycles.

Enfin, parmi les entreprises les plus prometteuses dans le domaine des batteries lithium-métal, on trouve Sion Power, une entreprise américaine qui travaille depuis des années sur des accumulateurs utilisant cette technologie et qui a mis au point un accumulateur fiable et durable d’une densité de 420 kWh par kilo. Un produit qui, par sa densité, conviendrait également aux avions électriques, en somme. Et si même la NASA s’intéresse à ce produit, c’est qu’il offre manifestement quelque chose d’intéressant.

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