les batteries ne fonctionnent pas bien par temps froid : un chercheur en batteries explique la chimie à basse température

Les batteries rechargeables sont idéales pour stocker de l’énergie et alimenter les appareils électroniques, des smartphones aux véhicules électriques.Cependant, dans les environnements froids, ils peuvent être plus difficiles à charger et peuvent même prendre feu.

Je suis professeur de génie mécanique et je m'intéresse aux batteries depuis l'université.Je dirige maintenant un groupe de recherche sur les batteries à l'Université Drexel.

Au cours de la dernière décennie seulement, j'ai observé le le prix des batteries lithium-ion baisse comme le marché de la production est devenu beaucoup plus grand.Les projections futures prévoient que le marché pourrait atteindre des milliers de GWh par an d’ici 2030, une augmentation significative.

Mais les batteries lithium-ion ne sont pas parfaites : cette augmentation comporte des risques, comme leur tendance à ralentir par temps froid et même à prendre feu.

Derrière la batterie Li-ion

Le stockage d'énergie électrochimique dans les batteries, cela fonctionne en stockant l'électricité sous forme d'ions.Les ions sont des atomes qui ont une charge non nulle car ils contiennent trop ou pas assez d’électrons.

Lorsque vous branchez votre voiture électrique ou votre téléphone, l'électricité fournie par la prise entraîne ces ions de l’électrode positive de la batterie à son électrode négative.Les électrodes sont des matériaux solides dans une batterie qui peuvent stocker des ions, et toutes les batteries possèdent à la fois une électrode positive et une électrode négative.

Les électrons traversent la batterie sous forme d'électricité.À chaque électron qui passe vers une électrode, un ion lithium passe également dans la même électrode.Cela garantit l'équilibre des charges dans la batterie.Lorsque vous conduisez votre voiture, les ions stockés dans l’électrode négative retournent vers l’électrode positive et le flux d’électricité qui en résulte alimente le moteur.

Même si les piles AA ou AAA peuvent alimenter de petits appareils électroniques, elles ne peuvent être utilisées qu’une seule fois et ne peuvent pas être rechargées.Les batteries Li-ion rechargeables peuvent fonctionner pendant des milliers de cycles de charge et de décharge complètes.Pour chaque cycle, elles peuvent également stocker une quantité de charge beaucoup plus élevée qu’une pile AA ou AAA.

Le lithium étant le métal le plus léger, il a un capacité spécifique, ce qui signifie qu'il peut stocker un énorme quantité de charge par poids.C’est pourquoi les batteries lithium-ion sont utiles non seulement pour les appareils électroniques portables, mais aussi pour alimenter les modes de transport au poids ou au volume limités, comme les voitures électriques.

Incendies de batterie

Cependant, les piles lithium-ion présentent des risques que les piles AA ou AAA n’ont pas.D’une part, ils sont plus susceptibles de prendre feu.Par exemple, le nombre de incendies de batterie de vélo électrique signalés à New York est passé de 30 à près de 300 au cours des cinq dernières années.

De nombreux problèmes différents peuvent provoquer un incendie de batterie.Des cellules mal fabriquées peuvent contenir des défauts, tels que des traces d'impuretés ou des particules laissées par le processus de fabrication, qui augmentent le risque de défaillance interne.

Le climat peut également affecter le fonctionnement de la batterie. Ventes de véhicules électriques ont augmenté aux États-Unis, en particulier dans les régions froides telles que le Nord-Est et le Midwest, où les températures glaciales peuvent nuire aux performances des batteries.

Les batteries contiennent des fluides appelés électrolytes, et les températures froides ralentissent l’écoulement des fluides.Ainsi, les électrolytes des batteries ralentissent et s’épaississent au froid, ce qui ralentit le déplacement des ions lithium à l’intérieur.Ce ralentissement peut empêcher les ions lithium de s’insérer correctement dans les électrodes.Au lieu de cela, ils peuvent se déposer sur la surface de l'électrode et former lithium métal.

Si trop de lithium se dépose sur la surface de l’électrode pendant la charge, cela peut provoquer un court-circuit interne.Ce processus peut allumer un feu de batterie.

Rendre les batteries plus sûres

Mon groupe de recherche, avec bien d’autres, étudie comment fabriquer des batteries qui fonctionnent plus efficacement par temps froid.

Par exemple, les chercheurs envisagent de remplacer l’électrolyte de batterie habituel par un électrolyte alternatif qui ne s’épaissit pas à basse température.Une autre option potentielle est faire chauffer la batterie avant de charger afin que le processus de charge se déroule à une température plus élevée.

Mon groupe étudie également de nouveaux types de batteries au-delà du lithium-ion.Il peut s’agir de types de batteries plus stables dans des plages de températures plus larges, de types qui n’utilisent même pas d’électrolytes liquides ou de batteries utilisant du sodium au lieu du lithium. Batteries sodium-ion pourrait bien fonctionner et coûter moins cher, car le sodium est une ressource très abondante.

Piles à semi-conducteurs utilisez des électrolytes solides qui ne sont pas inflammables, ce qui réduit les risques d’incendie.Mais ces batteries ne fonctionnent pas aussi bien que les batteries Li-ion, il faudra donc davantage de recherches pour déterminer si elles constituent une bonne option.

Les batteries lithium-ion alimentent des technologies que les gens de tout le pays utilisent quotidiennement, et la recherche dans ces domaines vise à trouver des solutions qui rendront cette technologie encore plus sûre pour le consommateur.