L’expérience de batterie de Mya Le Thai à 200 000 cycles : les avancées obtenues à l’UCI

Une expérience de trois mois aux résultats extraordinaires

Dans un laboratoire de l’Université de Californie à Irvine, la doctorante Mya Le Thai a chargé et déchargé à plusieurs reprises une électrode expérimentale jusqu’à ce qu’elle atteigne 200 000 cycles. Au bout de trois mois, les chercheurs n’ont constaté aucune perte de capacité ni de puissance et n’ont relevé aucun nanofil fracturé. L’UCI a annoncé ces résultats le 20 avril 2016, date de leur publication dans ACS Energy Letters.

Le matériau associait des nanofils d’or, un revêtement de dioxyde de manganèse et un électrolyte en gel ressemblant au Plexiglas. Sa durabilité pourrait apporter une réponse à un problème tenace : les fils minuscules utiles au stockage de l’énergie électrique ont tendance à se fissurer au fil des utilisations.

Cette découverte a aussi donné lieu à une affirmation saisissante : une batterie d’ordinateur portable pourrait un jour durer 400 ans. Ce chiffre résulte de la conversion du nombre de cycles de l’expérience en années, sur la base d’un rythme d’utilisation supposé. Le résultat effectivement obtenu est celui d’une électrode de laboratoire ayant résisté à 200 000 cycles au cours d’un essai de trois mois.

Près de dix ans après l’annonce, ce résultat sur les nanofils reste une preuve de concept en laboratoire. Thai a ensuite obtenu son doctorat et s’est tournée vers la recherche sur les batteries pour les transports électriques. Son expérience continue de retenir l’attention, car elle ouvre une piste pour préserver les matériaux fragiles des batteries malgré des utilisations répétées.

Comment une fine couche de gel a changé l’expérience

Thai, chercheuse américaine d’origine vietnamienne, étudiait les nanofils lorsqu’elle a essayé d’ajouter une fine couche de gel à la structure expérimentale. Les électrodes ont continué à fonctionner après 10 000 cycles, puis 30 000 quelques jours plus tard. Les essais ont finalement atteint 200 000 cycles.

Reginald Penner, auteur principal de l’étude et alors directeur du département de chimie de l’UCI, a évoqué cette découverte inattendue dans l’annonce de l’université d’avril 2016.

Mya faisait quelques essais et a recouvert l’ensemble d’une très fine couche de gel, puis a commencé à le faire fonctionner en cycles, a expliqué Penner. Elle a découvert qu’en utilisant simplement ce gel, elle pouvait lui faire subir des centaines de milliers de cycles sans perte de capacité.

Penner a qualifié le résultat de surprenant, car des structures comparables cédaient généralement après 5 000 à 7 000 cycles. Avec ces seuils comme points de comparaison, les 200 000 cycles de l’électrode de l’UCI représentent environ 29 à 40 fois plus de cycles. Cette comparaison illustre l’amélioration par rapport aux structures évoquées par Penner.

L’élément fortuit tient à la réussite du traitement au gel. Pour en établir la valeur, il a fallu mener des essais prolongés : Thai a continué à faire fonctionner l’électrode en cycles pendant des mois afin de vérifier si ses performances électriques ou sa structure physique se dégradaient.

Pourquoi les nanofils doivent être protégés

Les nanofils sont des milliers de fois plus fins qu’un cheveu humain. Ils conduisent bien l’électricité et offrent une grande surface par rapport à leur taille, ce qui en fait des éléments de base intéressants pour les électrodes, les parties d’une batterie où la charge est stockée et libérée lors de réactions électrochimiques.

Les cycles répétés de charge et de décharge soumettent ces structures à des contraintes. L’UCI explique que, dans une batterie lithium-ion classique, les nanofils peuvent se dilater et devenir cassants à l’usage. Des fissures peuvent alors apparaître et fragmenter un matériau qui doit rester connecté pour que l’électrode fonctionne efficacement.

La structure expérimentale de Thai comportait trois éléments principaux. Un nanofil d’or formait le cœur, du dioxyde de manganèse l’entourait et un électrolyte en gel recouvrait l’ensemble. Un électrolyte permet à des particules chargées, appelées ions, de circuler dans un dispositif de stockage d’énergie.

Les chercheurs ont avancé que le gel plastifiait l’oxyde métallique. En termes courants, il aurait pu rendre le revêtement plus souple et lui permettre de supporter les mouvements sans se fissurer. Le maintien de l’intégrité de la structure a aidé l’électrode à conserver ses performances au fil des cycles.

L’UCI a indiqué qu’au terme de l’essai de trois mois, aucune perte de capacité ni de puissance n’avait été détectée sur l’électrode testée et qu’aucun nanofil n’était fracturé. La capacité désigne la quantité de charge électrique qu’un appareil peut stocker ; la puissance correspond à la rapidité avec laquelle il peut fournir de l’énergie. Ces deux caractéristiques comptent pour une batterie utilisable.

Ce que signifient les chiffres de performance

L’expérience a également été présentée comme ayant atteint un rendement coulombique moyen de 94 à 96 %. Le rendement coulombique compare la charge récupérée lors de la décharge à celle fournie pendant la charge. Un rendement de 94 % signifie qu’environ 94 unités de charge sont récupérées pour 100 unités fournies.

La rétention de capacité et le rendement coulombique décrivent deux aspects différents des performances. La rétention de capacité indique si la quantité qu’une électrode peut stocker diminue au fil des utilisations. Le rendement coulombique mesure la charge reçue et restituée au cours des cycles. Une électrode peut conserver sa capacité de stockage tout en restituant moins de charge qu’elle n’en reçoit.

Une configuration de nanobatterie mise au point à Stanford en 2007 avait auparavant atteint 40 000 cycles. Les 200 000 cycles de l’UCI représentent cinq fois ce chiffre, même si les dispositifs reposaient sur des configurations différentes. Il faut donc tenir compte de leur conception et des conditions d’essai pour comparer les résultats.

La comparaison avec les ordinateurs portables est elle aussi frappante. Face aux 300 à 500 cycles généralement cités pour une batterie d’ordinateur portable classique, 200 000 représentent 400 à environ 667 fois plus de cycles. Ces chiffres expliquent l’enthousiasme suscité par l’expérience, mais le développement commercial nécessite encore une batterie complète offrant une capacité adaptée, des matériaux appropriés, une sécurité suffisante et des coûts de fabrication maîtrisés.

D’où vient l’estimation de 400 ans

Cette estimation suppose qu’un ordinateur portable effectue 1 000 cycles de charge tous les deux ans, soit 500 cycles par an. En divisant 200 000 cycles par 500, on obtient 400 ans. Chaque étape du calcul est simple, mais cette durée calendaire est une extrapolation à partir d’un résultat obtenu en laboratoire.

L’électrode de Thai a atteint ce nombre de cycles après trois mois d’essais continus. Une batterie utilisée au quotidien reste aussi parfois partiellement chargée, fonctionne à des températures variables et doit fonctionner avec d’autres composants. Un produit fini doit être testé dans les conditions auxquelles ses utilisateurs seront confrontés.

L’objectif pratique est d’allonger la durée d’utilisation entre deux remplacements. Pour un propriétaire d’ordinateur portable, cela pourrait signifier conserver la même batterie pendant une plus grande partie de la vie utile de l’ordinateur. Pour un constructeur automobile, cela pourrait permettre à un système de stockage d’énergie de supporter davantage de charges et de trajets avant qu’un remplacement ne soit nécessaire.

Ce que les chercheurs devaient encore comprendre

Dans son article de suivi de mai 2016, l’UCI décrivait les recherches menées pour mieux comprendre le revêtement de dioxyde de manganèse. Les chercheurs constataient que le gel empêchait le matériau de se fragmenter, mais cherchaient encore à comprendre comment celui-ci se transformait.

Penner, alors auteur principal de l’étude et directeur du département de chimie, a expliqué quelle était la prochaine étape scientifique.

« Mya mène actuellement de nombreuses études pour mieux comprendre ce qui se passe dans le matériau en dioxyde de manganèse. Nous savons que le gel l’empêche de se fragmenter, mais nous ignorons si ce qui reste est différent du matériau qui subsisterait sans le gel », explique Penner.

Comprendre ce processus est important pour reproduire le résultat et l’adapter à d’autres matériaux. Si les chercheurs parviennent à déterminer quelles propriétés du gel et du revêtement préservent l’électrode, ils pourront concevoir plus délibérément des structures capables de résister à des charges répétées.

Les travaux ont été menés en coordination avec le centre de recherche Energy Frontier Research Center on Nanostructures for Electrical Energy Storage de l’Université du Maryland. Ils ont été financés par la division des sciences fondamentales de l’énergie du département de l’Énergie des États-Unis.

Des nanofils d’or aux batteries pratiques

L’or pose un problème de coût pour une production à grande échelle. Les chercheurs ont étudié des solutions moins coûteuses, dont le nickel, pour concevoir un dispositif plus économique. Remplacer le métal exige également de vérifier que l’électrode obtenue conserve la durabilité de la structure d’origine.

Une batterie commerciale complète doit associer une longue durée de vie en cycles à un stockage d’énergie suffisant, une puissance utile, une sécurité fiable et un procédé de fabrication abordable. Le résultat de l’UCI portait sur une faiblesse particulière d’une électrode expérimentale : les dommages physiques causés par les cycles répétés. Pour transformer cette réussite en produit, il faut satisfaire simultanément à ces autres exigences.

L’UCI a cité les ordinateurs, les smartphones, les appareils électroménagers, les voitures et les engins spatiaux parmi les applications possibles. Chacune imposerait des exigences différentes à une batterie. Un téléphone a besoin d’une source d’énergie compacte ; un véhicule nécessite un système beaucoup plus important, capable de fournir une puissance considérable ; un engin spatial exige un fonctionnement fiable dans des conditions difficiles.

Thai est ensuite devenue scientifique principale chez Enevate, une entreprise américaine spécialisée dans les technologies de batterie, où elle travaille sur des batteries avancées pour les transports électriques. Elle a également déposé des demandes de brevet pour d’autres inventions, dont une technologie visant à retarder la propagation thermique entre les cellules. Celle-ci se produit lorsque la chaleur dégagée par une cellule défaillante se propage aux cellules voisines.

Aucune date de commercialisation de la technologie des nanofils d’or n’a été annoncée dans les comptes rendus de ces travaux. Le parcours ultérieur de Thai témoigne de sa participation continue au développement des batteries, notamment face aux enjeux de durabilité et de sécurité qui dépassent le cadre de l’expérience initiale.

Les étapes marquantes de la découverte

Cette histoire couvre un résultat antérieur sur les nanobatteries, des mois d’essais en laboratoire et deux annonces de l’UCI en 2016. Rassembler ces étapes permet de mieux situer l’ancienneté et la portée de la découverte.

• 2007 : une autre configuration de nanobatterie mise au point par des chercheurs de Stanford atteint, selon les résultats publiés, 40 000 cycles.
• Au cours de l’expérience de l’UCI : l’électrode revêtue de gel de Thai dépasse 10 000 puis 30 000 cycles, avant d’atteindre 200 000 cycles en trois mois.
• 20 avril 2016 : l’UCI annonce le résultat, publié dans ACS Energy Letters.
• 16 mai 2016 : l’UCI publie un article de suivi décrivant les recherches en cours sur l’effet du gel sur le dioxyde de manganèse.
• Après son doctorat : Thai rejoint la recherche sur les batteries dans le secteur privé et devient scientifique principale chez Enevate.

Thai a présenté le résultat sous l’angle de l’amélioration de la stabilité physique de l’électrode et de la possibilité de fabriquer des batteries durables. À propos de l’étude qu’elle a dirigée en tant que doctorante, elle a déclaré :

L’électrode revêtue conserve beaucoup mieux sa forme, ce qui en fait une solution plus fiable, a expliqué Thai. Cette recherche prouve qu’une électrode de batterie à base de nanofils peut avoir une longue durée de vie et que nous pouvons faire de ce type de batterie une réalité.

Points clés

• L’électrode mise au point par Mya Le Thai à l’UCI a effectué 200 000 cycles en trois mois, sans perte détectée de capacité ou de puissance ni nanofil fracturé.
• La conception associait des nanofils d’or, du dioxyde de manganèse et un électrolyte en gel qui, selon les chercheurs, aurait contribué à prévenir les fissures.
• Les résultats ont été publiés dans ACS Energy Letters le 20 avril 2016.
• L’estimation de 400 ans repose sur l’hypothèse de 500 cycles par an ; l’essai en laboratoire a duré trois mois.
• Le coût de l’or et les exigences propres à une batterie complète restent des enjeux majeurs pour le développement commercial.
• Thai est ensuite devenue scientifique principale chez Enevate, où elle travaille sur des batteries destinées aux transports électriques.