04.07.2016 à 21:17

DécouverteDes piles au lithium plus performantes

Des chercheurs de l'EPFZ ont développé un procédé simple et bon marché qui permet d'améliorer nettement la performance des batteries au lithium.

Photo prétexte

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AFP

Des chercheurs du PSI et de l'EPFZ ont réussi à améliorer l'autonomie des piles au lithium et à accélérer la recharge. Qu'il s'agisse de montres, de smartphones, d'ordinateurs ou de voitures, ce procédé permet d'optimiser les batteries pour tous les domaines d'application, car il est modulable en taille, selon ces travaux publiés dans la revue Nature Energy.

«La plupart des chercheurs se concentrent sur le développement de nouveaux matériaux», explique Claire Villevieille, cheffe du groupe Matériaux pour batteries à l'Institut Paul Scherrer (PSI). Cette chercheuse et sa collaboratrice Juliette Billaud ont emprunté une autre voie avec des collègues de l'Ecole polytechnique fédérale de Zurich (EPFZ).

«Nous avons examiné le potentiel que recèlent encore les matériaux existants», précise Claire Villevieille, citée dans un communiqué des deux institutions. Il a ainsi suffi aux chercheurs d'optimiser l'anode en graphite d'une batterie lithium-ion conventionnelle (autrement dit son pôle négatif) pour obtenir un bond en termes de performances.

Disponibles dans deux ans

«En conditions de laboratoire et lors d'une charge rapide, nous avons réussi à augmenter jusqu'à 3 fois la capacité de charge. Avec les batteries commerciales, ce ne serait sans doute pas tout à fait possible d'obtenir des performances similaires, en raison de leur complexité de construction. Mais dans tous les cas, la performance s'en trouvera nettement améliorée, peut-être entre 30 et 50%», explique la chercheuse.

«Tout ce dont on a besoin existe déjà», souligne Mme Villevieille. Si un fabricant les adopte, des batteries prototypes de ce genre pourraient être disponibles dans un ou deux ans, selon elle. En outre, le procédé peut être transposé à d'autres matériaux et batteries avec une anode et une cathode, par exemple aux batteries à base de sodium.

L'anode: élément clé

L'astuce réside dans la fabrication de l'anode. Le graphite, autrement dit le carbone dont elle est faite, se présente sous forme de minuscules particules étroitement juxtaposées dans toutes les directions une anode en graphite s'apparente un peu à une barre de céréales faite de cornflakes gris sombre pressés en tous sens les uns contre les autres.

Quand une batterie lithium-ion est chargée, les ions lithium (les porteurs de charge) migrent de la cathode faite d'oxyde lithié (le pôle positif) à travers une solution électrolytique vers l'anode et s'insèrent dans la barre de graphite. Lors de l'utilisation de la batterie, les ions s'écoulent à nouveau vers la cathode. Mais le fouillis de particules de graphite les oblige à effectuer beaucoup de détours, ce qui affecte la performance de la batterie.

nanoparticules

Aligner les particules à la verticale lors de la fabrication de l'anode, de manière à ce qu'elles soient disposées parallèlement, permet d'éviter une bonne partie de ces détours. C'est ce qu'ont fait les chercheurs Florian Bouville et Tommaso Magrini, emmenés par André Studard à l'EPFZ.

Ils ont utilisé une méthode de fabrication de matériaux composites synthétiques par laquelle les particules de graphite sont gainées de nanoparticules d'oxyde de fer. Exposées à un champ magnétique, elles s'agencent à la verticale et leurs faces s'alignent parallèlement les unes aux autres, comme des livres sur une étagère. La précision de cette disposition permet de raccourcir au maximum les chemins que les ions lithium ont à parcourir.

La capacité de charge à vitesse rapide augmente aussi, car les ions susceptibles de venir s'amarrer sont aussi plus nombreux. «En dépit de tout cela, la composition chimique de l'accumulateur reste la même», souligne Claire Villevieille. Quant aux nanoparticules d'oxyde de fer restantes, elles sont négligeables et n'ont aucune influence sur le fonctionnement de la batterie, ajoute la spécialiste.

(ats)

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