Des batteries lithium-ion structurelles découplées imprimées en 3D, stables, robustes et personnalisables

L’adoption généralisée des véhicules électriques repose en grande partie sur le développement de technologies de batteries robustes et à charge rapide capables de supporter leur fonctionnement continu pendant de longues périodes. Une solution de stockage d’énergie proposée pour améliorer l’endurance des véhicules électriques implique l’utilisation de batteries dites structurelles.

Les batteries structurelles sont des batteries qui peuvent servir à deux fins, à la fois comme composants structurels des véhicules et comme solutions de stockage d’énergie. Au lieu d’être des composants externes ajoutés à un appareil électronique ou électrique, ces batteries sont ainsi directement intégrées à la structure.

Des chercheurs de l’Université de Shanghai et leurs collaborateurs ont récemment mis au point une stratégie prometteuse pour fabriquer des batteries structurelles hautement performantes avec des configurations géométriques personnalisables. Leur stratégie, décrite dans un article publié dans Science et technologie des compositespermet l’impression 3D de batteries lithium-ion structurelles pour différentes configurations géométriques.

« Cette étude vise à concevoir une structure intégrée de stockage d’énergie et de support de charge avec une capacité de charge élevée et un stockage d’énergie élevé », a déclaré Yinhua Bao, auteur correspondant de l’article, à Tech Xplore.

« En termes de conception de stockage d’énergie structurel, la science des matériaux se concentre principalement sur la synthèse et l’utilisation des matériaux, ainsi que sur la conception secondaire des composants pour le stockage d’énergie.

« Par exemple, des structures en fibre de carbone ou en fibre de verre peuvent être utilisées, et des modifications peuvent être apportées aux électrodes, aux séparateurs ou aux électrolytes de la batterie pour améliorer les performances de charge du stockage d’énergie structurel. »

Malgré leurs avantages potentiels, de nombreuses solutions de stockage d’énergie structurelles fabriquées jusqu’à présent présentaient des limites importantes, notamment des densités énergétiques relativement faibles et des performances de cyclage électromécanique médiocres.

Dans le cadre de leur étude, Bao et ses collègues ont cherché à fabriquer des batteries structurelles plus performantes en utilisant une stratégie de fabrication évolutive. Ils ont notamment exploré la possibilité de fabriquer ces batteries à l’aide de l’impression 3D, une technique désormais largement utilisée pour fabriquer divers produits et composants électroniques.

« En tirant parti de l’impression 3D, nous visons à créer des cadres structurels personnalisables qui, lorsqu’ils sont combinés avec des matériaux de stockage d’énergie, forment des composants avec des fonctions intégrées de stockage d’énergie et de portance, présentant une densité énergétique et une capacité de charge élevées », a déclaré Bao.

« La structure est censée jouer le rôle principal de support de charge, en minimisant ou en réduisant les dommages causés aux matériaux de stockage d’énergie pendant la charge, garantissant ainsi une excellente capacité de stockage d’énergie. »

Le cadre structurel présenté par Bao et ses collègues pourrait être adapté pour permettre l’impression 3D de batteries structurelles pour diverses applications, allant au-delà des véhicules électriques. En fait, il pourrait également être utilisé pour produire des composants de stockage d’énergie structurels pour des robots autonomes spécifiques et des véhicules logistiques d’entrepôt.

La stratégie d’impression 3D mise au point par les chercheurs se concentre sur deux aspects clés des batteries lithium-ion structurelles : l’unité de stockage d’énergie et la structure.

« En concevant une structure découplée, il est possible de réduire efficacement la déformation de l’unité de stockage d’énergie sous charge, améliorant ainsi la stabilité mécanique de la batterie », a expliqué Bao.

« Nous utilisons la technologie d’impression 3D pour créer la structure, car elle permet une production rapide et un contrôle précis des composants structurels. Nous avons sélectionné des matériaux d’électrode et des électrolytes hautes performances pour améliorer encore la densité énergétique et la durée de vie de la batterie. »

Bao et ses collègues ont également simulé les dommages causés à une unité de stockage d’énergie sous charge à l’aide d’un logiciel d’éléments finis. Cela leur a permis d’optimiser la conception structurelle des batteries pour limiter les dommages prévus.

« Nous adoptons également une disposition distribuée des cellules de batterie pour éviter l’inconvénient d’une défaillance globale due à des dommages localisés », a déclaré Bao. « Nos tests démontrent qu’en adoptant une approche de conception de batterie structurelle découplée, il est possible de réaliser des batteries structurelles avec une densité énergétique et une capacité de charge élevées ainsi qu’une robustesse mécano-électrochimique. De plus, la technologie d’impression 3D permet de créer des batteries structurelles personnalisables. »

Les chercheurs ont utilisé leur approche proposée pour fabriquer un échantillon de batterie structurelle composite. Lors des premiers tests, cette batterie s’est avérée capable de résister à des contraintes de traction et de flexion importantes, tout en présentant une densité énergétique élevée de 120 Wh kg^-1 et 210 Wh L^-1 (3,5 mA cm^-2).

Il est à noter que la batterie a conservé jusqu’à 92 % de sa capacité après 500 cycles de fonctionnement. Elle a également conservé 98,7 % de sa capacité sous une contrainte de traction de 80 MPa et 97 % de sa capacité sous une contrainte de flexion de 96,3 MPa, perdant environ 0,18 % de sa capacité par cycle de fonctionnement.

« Dans les applications pratiques, différentes sélections de matériaux peuvent être effectuées pour différents composants, et l’utilisation de simulations par éléments finis dans des scénarios réels peut optimiser la conception structurelle », a déclaré Bao. « Notre approche permet ainsi la fabrication de batteries structurelles découplées pouvant être appliquées à divers cas d’utilisation. »

À l’avenir, la stratégie de fabrication basée sur l’impression 3D introduite par cette équipe de chercheurs pourrait faciliter la production à grande échelle de composants de stockage d’énergie structurels hautement performants pour une large gamme d’applications. Il pourrait s’agir de batteries structurelles stables et de grande capacité pour les véhicules électriques, ainsi que de batteries à plus petite échelle pour les systèmes robotiques.

« La prochaine étape de nos recherches consistera à explorer l’application de batteries structurelles découplées, telles que les véhicules aériens sans pilote (UAV) et les robots », a ajouté Bao. « Nous allons les rendre plus fiables en modifiant le matériau des structures. »

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