Imaginez que vous puissiez recharger votre véhicule électrique le temps de finir votre café
Chunsheng Wang travaille à la mise au point d'une composition chimique de batterie permettant de réduire les temps de recharge
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Il est difficile d’ignorer la différence : on peut faire le plein d’essence d’une voiture en quelques minutes à peine. Recharger la batterie d’un véhicule électrique (VE) peut prendre 30 minutes, voire plus. Chunsheng Wang, professeur émérite d’ingénierie chimique et biomoléculaire à l’université du Maryland, et son équipe s’efforcent de réduire ce temps — une étape cruciale pour passer de la prédominance des véhicules à carburant fossile à celle de véhicules électriques plus propres et plus efficaces. « Si l'on veut rivaliser avec le moteur à essence, il faut que le temps de recharge de la batterie soit similaire », explique M. Wang.
Le ministère américain de l’Énergie (DOE) préconise le développement de batteries pour VE capables de se recharger à 80 % en moins de 15 minutes. Wang et Chang-Xin Zhao, un chercheur de son laboratoire, s’efforcent de dépasser cet objectif en réduisant le temps de recharge à seulement 10 minutes — ce qu’ils appellent le « temps d’un café ».
« Le temps de finir votre café, le véhicule est rechargé », explique M. Zhao. « C’est ce que nous voulons réaliser. »
L’obstacle caché à la recharge rapide
Les efforts précédents visant à accélérer la recharge se sont concentrés sur la modification de la structure des électrodes de la batterie, ce qui réduit involontairement la quantité d’énergie que celle-ci peut stocker — un compromis problématique.
Le groupe de Wang met au point des méthodes pour contourner ce compromis en se concentrant sur la chimie des batteries. Dans des travaux publiés dans la revue *Science*, son équipe, dirigée par Zhao, a identifié une limitation liée à l’électrolyte, le milieu dans lequel les ions lithium se déplacent lors de la décharge ou de la recharge d’une batterie. Pendant la recharge, les ions se déplacent de la borne positive de la batterie vers la borne négative. Mais ils ne font pas ce trajet seuls : chaque ion capte plusieurs molécules provenant d’un composant essentiel de l’électrolyte, son solvant, et les entraîne avec lui.
Si la recharge se déroule lentement, le solvant retourne dans le matériau poreux de la borne positive, la remplissant à nouveau. Lors d’une recharge rapide, cependant, le solvant ne parvient pas à suivre le rythme : l’électrode s’assèche et la recharge ralentit considérablement. Les chimistes connaissaient déjà ce phénomène — appelé « traînée électro-osmotique » — dans les piles à combustible, mais sa présence dans les batteries lithium-ion avait été négligée jusqu’à cette étude menée par l’université du Maryland.
Repenser la conception de l’électrolyte
L’équipe a découvert qu’elle pouvait réduire le risque de dessèchement des électrodes en repensant la composition des électrolytes.
En ajoutant des groupes chimiques contenant du fluor aux molécules de solvant au sein des électrolytes, les chercheurs ont réduit l’attraction entre le solvant et les ions lithium, et ont favorisé un retour plus aisé du solvant vers la borne positive. Cette nouvelle composition chimique réduit considérablement les risques de dessèchement des électrodes, même à des vitesses de charge rapide.
Ils ont testé l’électrolyte modifié en construisant une petite batterie appelée « cellule-poche » de quatre ampères-heure. Bien qu’il soit difficile d’atteindre une charge de 100 % sans sacrifier d’autres aspects des performances de la batterie, les résultats se sont situés dans les objectifs fixés par le DOE :
- 80 % de charge en 12,8 minutes
- 90 % de charge en 14,7 minutes
Établir une nouvelle norme
Wang vise à réduire encore davantage les temps de recharge, jusqu’à 10 minutes, en combinant le solvant fluoré avec une deuxième stratégie chimique : un électrolyte adaptatif développé par son équipe. Cette substance se sépare pour protéger les deux bornes des contraintes liées à la recharge rapide.
Réduire les temps d’attente n’est qu’une partie de l’objectif. Son équipe s’efforce également de prolonger la durée de vie des batteries lorsqu’elles ne sont pas utilisées, ainsi que de les faire fonctionner à des températures plus élevées.
« Nous voulons concevoir une batterie capable de répondre à toutes les exigences, sans faire de compromis », explique Wang. « C’est notre objectif. »
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