Plus denses, plus légères, plus sûres. Les batteries à état solide promettent tout, sauf de fonctionner. Deux études parues dans Nature viennent d’identifier le mécanisme de panne.
Dans votre smartphone ou votre voiture électrique, la batterie lithium-ion fonctionne grâce à un liquide conducteur, l’électrolyte. Ce liquide fait circuler les ions entre les deux bornes de la batterie. Il fait le travail, mais il a un défaut majeur : il est inflammable. Un choc, une surchauffe, et la batterie peut prendre feu. L’idée des batteries à état solide consiste à remplacer ce liquide par un bloc de céramique. Plus de risque de fuite ni d’incendie. Et au passage, une densité d’énergie supérieure. Toyota, Samsung SDI ou encore BMW en font un pilier de leur feuille de route. Le problème : cette céramique se fissure, et personne ne savait exactement pourquoi.
Quand le lithium pousse des racines dans la céramique
Pour comprendre la panne, il faut visualiser ce qui se passe à l’intérieur de la batterie pendant la charge. Le lithium métallique, déposé sur l’une des bornes, ne reste pas sagement en place. Il forme de minuscules filaments, appelés dendrites, qui poussent à travers l’électrolyte solide. Le phénomène ressemble à des radicelles qui s’enfoncent dans un pot en terre cuite : au bout d’un moment, le pot se fissure. Si les dendrites traversent toute la céramique, la batterie fait court-circuit. Elle est morte.
C’est exactement ce que l’équipe du Max Planck Institute de Düsseldorf a observé dans ses résultats publiés mercredi dans Nature. En isolant des échantillons sous vide à température cryogénique, les chercheurs ont confirmé que la pression mécanique des dendrites suffit à casser la céramique. « Le lithium, pourtant mou, perce l’électrolyte rigide, comme un jet d’eau qui perce la roche », résume Yuwei Zhang, premier auteur de l’étude.
Deux hypothèses s’affrontaient depuis des années. La première misait sur le stress mécanique pur. La seconde soupçonnait des fuites d’électrons à certains points vulnérables de la céramique. L’équipe allemande a tranché : c’est la force brute du lithium qui provoque la fracture. Les chercheurs proposent déjà des pistes pour limiter les dégâts. Concevoir des céramiques plus résistantes, ou laisser des micro-vides dans l’électrolyte. L’idée : que les dendrites s’y perdent au lieu de le traverser de part en part.
Le MIT ajoute un facteur que personne n’avait vu
Quelques semaines plus tôt, une équipe du MIT publiait une étude complémentaire dans la même revue. Ses conclusions compliquent le tableau. Le professeur Yet-Ming Chiang et son équipe ont observé l’électrolyte à l’échelle quasi atomique. Ils ont repéré un flux concentré d’ions lithium à la pointe de chaque dendrite. Ce courant ionique fragilise la céramique avant même que la pression ne la casse. Comme si quelqu’un versait de l’acide sur le pot en terre cuite avant que les racines ne poussent. Le matériau cède alors sous une contrainte plus faible que prévu. Cole Fincher, doctorant au MIT et premier auteur de l’article, confirme à The Register que les deux études se complètent. L’une identifie la cause mécanique, l’autre y ajoute un facteur chimique.
Pour les utilisateurs, l’enjeu est concret. Les batteries à état solide permettraient de recharger un véhicule électrique en quelques minutes au lieu de plusieurs dizaines. Elles offriraient aussi 30 à 50 % d’autonomie supplémentaire à encombrement égal, sur un téléphone comme sur une voiture. Mais sans un matériau qui encaisse les deux agressions à la fois, la production de masse restera au stade du laboratoire.
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Source :
The Register