Des chercheurs de l'Université de Californie du Sud travaillent sur un développement visant à décourager la dégradation de l'intégrité structurelle des batteries lithium-ion, qui est l'une des raisons qui conduisent à une baisse de fonctionnalité au fil du temps.

Leur solution consiste à introduire du «stretch» dans les matériaux des batteries afin qu'elles puissent être cyclées à plusieurs reprises sans fatigue structurelle.

Dans un article publié dans le Journal of Mechanics and Physics of Solids, l'équipe de l'USC explique qu'une batterie typique fonctionne à travers un cycle répétitif d'insertion et d'extraction de li-ions à partir d'électrodes. Ce processus dilate et comprime les réseaux d'électrodes et ces changements de volume créent des microfissures, des fractures et des défauts au fil du temps, ce qui entraîne une dégradation structurelle et une diminution de la capacité de la batterie.

«Finalement, nous devons remplacer ces batteries, qui sont non seulement coûteuses, mais épuisent également les éléments de terres rares utilisés dans leur fabrication», a déclaré le groupe dans un communiqué de presse.

Pour décourager la dégradation, Delin Zhang, auteur principal de l'article qui étudie les matériaux d'intercalation-une classe de matériaux utilisés comme électrodes dans les batteries lithium-ion-étire ces électrodes d'intercalation à l'avance. Ce changement de l'état de contrainte initial régule les tensions de transformation de phase, rendant ainsi les électrodes plus résistantes à la rupture ou à l'amorphisation, ce qui signifie qu'elles perdent leurs propriétés cristallines.

En étirant les électrodes avant la charge/décharge, les chercheurs ont changé le paysage énergétique à travers lequel une électrode passe de l'état chargé à l'état déchargé. (Graphique par Delin Zhang, avec l'aimable autorisation de USC).

«En étirant les électrodes avant de charger et de décharger, nous changeons le paysage énergétique à travers lequel une électrode passe de l'état chargé à l'état déchargé», a déclaré Zhang.

«Cette contrainte initiale nous permet de réduire la barrière énergétique pour ces transformations et de prévenir les déformations préjudiciables du réseau qui conduisent à une défaillance du matériau. Ce changement dans le paysage énergétique aide à prévenir les microfissures et les fractures, protégeant ainsi la durabilité de la batterie et sa capacité de stockage d'énergie.»

Selon le chercheur, un avantage supplémentaire de cette approche est qu'en étirant les électrodes, la batterie peut également fonctionner dans une fenêtre de tension plus large, ce qui la rend plus efficace dans sa capacité de stockage d'énergie.

Le développement de Zhang est également considéré comme un pas en avant vers des batteries plus sûres et plus durables tout en s'attaquant aux défis mécaniques imposés par les électrolytes liquides inflammables généralement utilisés dans les batteries en les remplaçant par des matériaux solides.

Le co-auteur Ananya Renuka-Balakrishna a expliqué que les objets solides peuvent se détériorer au fil du temps lorsqu'ils sont stressés à plusieurs reprises, et a déclaré qu'une fois qu'une fissure est introduite, les deux côtés d'une surface perdront contact. Dans le cas de la batterie, sans connexion, il est difficile de transporter des ions à travers le matériau.

Selon Renuka-Balakrishna, la nouveauté de cette approche est qu'au lieu de trouver un nouveau matériau pour améliorer la durée de vie de la batterie, il devient possible d'améliorer la durée de vie d'un matériau existant en introduisant des concepts de mécanique fondamentale.

«La mécanique n'a pas toujours fait partie intégrante du développement des batteries», a déclaré Renuka-Balakrishna. "Mais maintenant, les ingénieurs peuvent jouer avec cette théorie/outil que Zhang a créé et travailler à l'ingénierie de la durée de vie des matériaux de batterie."

L'équipe estime que l'amélioration de la durée de vie des batteries serait bénéfique pour les utilisateurs d'appareils électroniques et de véhicules électriques permettant une utilisation plus longue des appareils et minimisant le remplacement des batteries, économisant ainsi de l'argent et des ressources au fil du temps.