Les travaux publiés dimanche dans la revue Nature Materials remettent en question deux notions communément admises sur les batteries au lithium-lion. À savoir : qu'une charge lente permet de prolonger leur durée de vie et qu'on ne doit pas soumettre ces batteries à une grande quantité d'énergie pendant un court laps de temps au risque de les endommager. « Nous avons toujours considéré la batterie comme un matériel unique, or à l'intérieur d'une batterie d'iPhone par exemple, il y a plusieurs milliards de particules », a déclaré dans une interview William Chueh, auteur principal de l'article et chercheur à l'Institut des Sciences de l'énergie et de la Matière de Stanford. « Jusqu'ici, la communauté scientifique a surtout centré ses recherches au niveau macroscopique pour comprendre comment se comportait la batterie globalement, mais notre recherche s'est intéressée aux particules individuelles pour en tirer un modèle de fonctionnement », a-t-il ajouté.
Enregistrement des phases de charge et décharge
William Chueh et son équipe ont utilisé l'accélérateur linéaire de particules de Stanford (SLAC), localisé à Menlo Park, qui dépend du Département de l'énergie américain, pour observer le comportement des nanoparticules individuelles au moment du chargement et du déchargement de la batterie. Cette expérience, réalisée et enregistrée pour la première fois, a permis de montrer que le courant électrique ne se répartissait pas uniformément et que toutes les particules n'étaient pas chargées progressivement. En fait, celle-ci fait apparaître que le courant est absorbé par des particules individuelles ou par de petits groupes de particules dans un temps très court, jusqu'à ce que chaque particule soit chargée, avant de passer au groupe suivant. La batterie se charge particule par particule par une série de charges successives très rapides. Le phénomène a surpris les chercheurs parce qu'ils étaient convaincus qu'une charge rapide endommageait les batteries. « Pendant les 10 ou 20 dernières années, on nous a toujours dit qu'il fallait appliquer une charge la plus lente possible, de maintenir un régime de charge pour limiter la chauffe de la batterie et pour qu'elle dure aussi plus longtemps », a déclaré le chercheur. « Cette expérience montre que ce n'est pas tout à fait exact ».
Les chercheurs de Stanford ont observé le comportement des nanoparticules individuelles au moment du chargement et du déchargement de la batterie.
Forts de ces nouvelles connaissances, les chercheurs proposent plusieurs méthodes pour recharger les batteries de façon plus uniforme. Les nouvelles modalités pourraient prolonger la durée de vie moyenne d'une batterie au lithium-ion de 2 à 10 ans. Plus la charge, rapide ou lente, est uniforme, moins il y a d'échauffements pouvant dégrader la batterie. L'équipe de William Chueh cherche également un moyen pour charger ou décharger la batterie rapidement sans dommage, un aspect qui concerne tout particulièrement, entre autres, les voitures électriques, qui demandent souvent des temps de rechargement de plusieurs heures. S'il était possible de diminuer ce temps de rechargement, les véhicules électriques pourraient être utilisés pour de longs trajets sans que leurs propriétaires aient à attendre de longues heures aux bornes. En ce qui concerne le réseau électrique, ils travaillent aussi sur des batteries de stockage qui supportent mieux les hausses brutales de tension.
D'autres expériences à venir
Mais avant cela, l'équipe doit faire d'autres expériences. En particulier, les chercheurs doivent vérifier comment réagissent les électrodes de la batterie sur des milliers de cycles de charge et de décharge pour simuler une utilisation classique et estimer la performance. L'équipe est déjà en contact avec des fabricants d'électronique grand public et des entreprises de l'industrie automobile. Des chercheurs du MIT, l'Institut de Technologie du Massachusetts, du Sandia National Laboratories, Samsung Advanced Institute of Technology America et du Lawrence Berkeley National Laboratory ont également participé à l'expérience de William Chueh.