Une doctorante chinoise prête à résoudre les risques d’incendie et d’explosion des batteries au lithium

Les batteries lithium-ion des véhicules électriques peuvent prendre feu ou exploser lorsqu’elles sont court-circuitées, ce qui pose des risques importants pour la sécurité. Il y a cinq ans, alors qu’il était étudiant en master à l’Université de technologie de Wuhan, le Dr Lun Li a commencé à explorer des solutions à ce problème. Aujourd’hui, en tant que chercheuse postdoctorale dans le même établissement, elle a fait une découverte révolutionnaire. Ses recherches ont été publiées dans le dernier numéro de Nature Chemical Engineering.

Sous la direction du professeur He Daping de l’École de physique et de mécanique de l’Université de technologie de Wuhan, ce brevet de recherche a été traduit avec succès en industrialisation. Une entreprise a investi 30 millions de yens pour augmenter sa production. L’équipe de recherche a créé Hainan Zhangyu Technology Co., Ltd. pour continuer à valider la technologie, avec des plans pour la mettre en œuvre bientôt si elle s’avère viable.

Une percée à partir d’une expérience inattendue

Les batteries lithium-ion sont sujettes aux incendies et aux explosions car la chaleur qu’elles génèrent ne peut pas se dissiper assez rapidement, ce qui entraîne une accumulation qui déclenche une série de réactions exothermiques et, finalement, un emballement thermique. Le contrôle de la production de chaleur interne et l’amélioration du transfert de chaleur sont essentiels pour éviter ce problème.

En 2020, lors d’une expérience, le Dr Li a démonté une batterie qui avait pris feu et explosé, constatant que le collecteur de courant métallique à l’électrode positive avait été presque entièrement brûlé. Ces collecteurs sont généralement en aluminium ou en cuivre.

« Cela suggère un lien possible entre les collecteurs de courants métalliques et l’emballement thermique », a partagé le Dr Li avec les professeurs He Daping et Mai Liqiang. Ensemble, ils se sont demandé si un matériau ignifuge pourrait remplacer les collecteurs de courant métallique. Un tel matériau devrait avoir une conductivité thermique élevée, une excellente résistance aux flammes et une densité suffisante pour éviter d’augmenter la taille de la batterie.

Leur attention s’est tournée vers le graphène, un matériau bidimensionnel unique. Le Dr Li a testé sa résistance à la flamme en la tenant au-dessus d’une lampe à alcool pendant une demi-heure – remarquablement, elle est restée intacte. Ce résultat inattendu a étonné ses camarades de laboratoire.

« Nous avons proposé d’utiliser des collecteurs de courant de graphène à haute conductivité thermique pour remplacer les collecteurs métalliques traditionnels, améliorant ainsi considérablement la sécurité des batteries », a déclaré le Dr Li. Son travail a également été guidé par le professeur agrégé Yang Jinlong de l’Université de Shenzhen.

Forgeage deux fois de collecteurs de courant de graphène à des températures élevées

Cependant, l’utilisation du graphène comme collecteur de courant nécessite d’obtenir une résistance mécanique et une finesse suffisantes (au moins 10 à 20 micromètres) tout en maintenant une bonne conductivité.

Dans la matinée du 16, un journaliste du Changjiang Daily a visité le laboratoire de synthèse de films de graphène de l’Université de technologie de Wuhan. Le Dr Li a présenté un rouleau de feuille de métal, expliquant : « Il s’agit d’un collecteur de courant en aluminium, couramment utilisé dans les électrodes positives des batteries lithium-ion. Le cuivre est également utilisé comme collecteur de courant métallique. Elle a ensuite montré un rouleau de matériau non métallique, en disant : « Il s’agit de notre collecteur de courant de graphène, produit en série à Wuhan Hanci Technology Co., Ltd. »

Le journaliste a observé que le collecteur de courant de graphène était aussi mince que les ailes d’une cigale. Le Dr Li l’a plié à plusieurs reprises sans provoquer de déformation. « Il n’a que 10 micromètres d’épaisseur, et aucune fissure n’apparaît au microscope, peu importe le nombre de fois qu’il est plié. Malgré son apparence délicate, il a subi deux cycles de forgeage à haute température, un peu comme le forgeage du mythique Sun Wukong dans le four de Laozi.

Le Dr Li a montré deux fours de graphitisation à haute température dans le laboratoire, expliquant que le matériau brut de graphène subit deux traitements à haute température pour forger le matériau final du collecteur de courant de graphène.

Un investissement de 30 millions de yens pour la validation de la production

Une fois que le matériau du collecteur de courant de graphène a été développé, il a été envoyé au laboratoire de nanotechnologie de l’Université de technologie de Wuhan pour une caractérisation structurelle et des tests de sécurité. L’équipe a ensuite fabriqué des batteries souples avec ce matériau, en effectuant une série de tests de performance électrochimique.

Le journaliste a noté que le laboratoire de nanotechnologie abritait non seulement des batteries lithium-ion, mais aussi des batteries sodium-ion, des batteries potassium-ion et d’autres types de batteries soumises à des tests électrochimiques.

Le Dr Li a indiqué que ses batteries lithium-ion ont également été testées à l’Institut de recherche en physique des hautes températures et des hautes pressions de l’Université de technologie de Wuhan. Elle discute fréquemment des données expérimentales avec le professeur agrégé Yang Jinlong de l’Université de Shenzhen, analysant les résultats et planifiant les prochaines étapes de ses recherches.

« Au cours des dernières années, j’ai souvent voyagé entre le laboratoire de synthèse de films de graphène, le laboratoire de nanotechnologie et l’Institut de recherche en physique des hautes températures et des hautes pressions. Mais je ne me sens pas fatigué – tant que je peux obtenir des résultats, je me sens comblé », a déclaré le Dr Li, qui poursuit cette recherche depuis cinq ans. Même après la fin de son stage postdoctoral l’année prochaine, elle prévoit continuer à approfondir cette recherche.

Le Dr Li a révélé qu’une entreprise a déjà investi 30 millions de yens pour augmenter la production, et si la validation est couronnée de succès, la technologie sera bientôt mise en œuvre.