Les scientifiques pourraient avoir une explication pour pourquoi certaines batteries ne durent pas

Les batteries lithium-ion rechargeables ne durent pas éternellement. Avec le temps, elles conservent moins de charge, se transformant finalement de sources d'énergie en briques. Une nouvelle recherche suggère une raison : de l'hydrogène caché et fuyant. Des protons d'hydrogène indésirables remplissent des emplacements moléculaires à l'extrémité positive de la batterie, laissant moins de place pour les atomes de lithium chargés, ou ions, qui maintiennent la réactivité et aident à conduire la charge, rapportent des scientifiques le 12 septembre dans Science. 

La nouvelle recherche identifie un ensemble de réactions chimiques indésirables qui se déroulent lorsque l'électrolyte de la batterie, censé transporter des ions de lithium, libère involontairement de l'hydrogène dans l'extrémité positive, ou cathode. Cela "déclenche toutes sortes de problèmes" et réduit la capacité et la durée de vie de la batterie, explique Gang Wan, physicien des matériaux et chimiste à l'Université de Stanford. 

"Même si vous n'utilisez pas la batterie, elle perd de l'énergie." Dans une batterie lithium-ion (illustrée ci-dessous), deux électrodes de charges opposées, une anode et une cathode, stockent des ions de lithium. Les ions se déplacent de l'anode vers la cathode dans un électrolyte, ce qui crée des réactions chimiques libérant des électrons pour former une charge. L'électrolyte est censé ne déplacer que des ions de lithium, mais des protons d'hydrogène et des électrons se détachent des molécules dans l'électrolyte et fuient vers les couches externes de la cathode, déclenchant une cascade de réactions indésirables réduisant la durée de vie de la batterie. 

Les explications passées sur la perte d'énergie dans les batteries se concentraient sur le mouvement des ions de lithium. Certains chercheurs ont émis l'hypothèse que les atomes d'hydrogène pourraient également jouer un rôle, mais il était difficile à observer car l'hydrogène est si petit et omniprésent. Ainsi, Wan et ses collègues ont échangé l'hydrogène dans l'électrolyte de batteries de taille cellulaire contre du deutérium, une variante plus lourde de l'hydrogène. Les chercheurs ont ensuite suivi le mouvement du deutérium avec des techniques d'imagerie par rayons X et de spectrométrie de masse puissantes. 

En utilisant les résultats et des calculs théoriques, l'équipe a montré que l'hydrogène était le joueur "dominant" dans la perte de charge de la cathode. La recherche accroît notre connaissance de la chimie opaque se déroulant à l'intérieur des batteries, ce qui la rend "vraiment significative", selon Bart Bartlett, chimiste des matériaux et inorganique à l'Université du Michigan à Ann Arbor, qui n'a pas participé à l'étude. Cela suggère des voies possibles pour améliorer la durée de vie des batteries, comme ajuster la chimie des batteries pour éviter les réactions à l'hydrogène. 

De plus, le travail met en lumière un problème méconnu dans la course à l'augmentation des batteries de plus en plus hautes tensions, alors que les ingénieurs cherchent à stocker plus d'énergie dans des cellules plus petites. Les cathodes à tension plus élevée sont plus réactives et plus susceptibles de capter de l'hydrogène, donc plus la tension de la batterie est élevée, plus cette "protonation" ou "hydrogénation" se produit. 

"C'est un compromis que je ne pense pas que nous ayons pleinement apprécié que nous faisions, ou que nous n'ayons pas compris pourquoi", explique Bartlett. Cependant, dit-il, les scientifiques ont évalué un seul type de batterie et de scénario. 

Plus de recherches sont nécessaires pour comprendre dans quelle mesure les résultats s'appliquent. Si les observations de l'équipe se révèlent reproductibles, elles mèneront très probablement à des batteries meilleures et plus durables, accélérant les innovations telles que les véhicules électriques à plus longue portée, explique Jacqueline Edge, chercheuse et ingénieur en batteries à l'Imperial College London. Parallèlement, les avancées en termes de durée de vie de la batterie réduiraient notre besoin d'extraire les minéraux qui entrent dans les cellules des batteries, comme le cobalt et bien sûr le lithium, entraînant des conséquences environnementales et sociales négatives. "Il pourrait s'agir d'un double gain en matière de durabilité", dit-elle.