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Articles d’actualité sur les crypto-monnaies
Une découverte pourrait conduire à des batteries de véhicules électriques plus durables et accélérer la transition énergétique
Sep 13, 2024 at 03:04 am
Université du Colorado à Boulder Michael Toney et son équipe ont testé les piles boutons de batterie Li-ion pour détecter leur perte de capacité au fil du temps.
A new study led by an engineer at the University of Colorado Boulder could help scientists develop better batteries, which would allow electric vehicles to run farther and last longer, while also advancing energy storage technologies that would accelerate the transition to clean energy.
Une nouvelle étude menée par un ingénieur de l'Université du Colorado à Boulder pourrait aider les scientifiques à développer de meilleures batteries, qui permettraient aux véhicules électriques de rouler plus loin et de durer plus longtemps, tout en faisant progresser les technologies de stockage d'énergie qui accéléreraient la transition vers une énergie propre.
Batteries lose capacity over time, which is why older cellphones run out of power more quickly. This common phenomenon, however, is not completely understood. Now, an international team of researchers has revealed the underlying mechanism behind such battery degradation.
Les batteries perdent de leur capacité avec le temps, c'est pourquoi les téléphones portables plus anciens se déchargent plus rapidement. Ce phénomène courant n’est cependant pas complètement compris. Aujourd’hui, une équipe internationale de chercheurs a révélé le mécanisme sous-jacent à une telle dégradation des batteries.
Their discovery is published Sept. 12 in the journal Science.
Leur découverte est publiée le 12 septembre dans la revue Science.
“We are helping to advance lithium-ion batteries by figuring out the molecular level processes involved in their degradation,” said Michael Toney, the paper’s corresponding author and a professor in the Department of Chemical and Biological Engineering. “Having a better battery is very important in shifting our energy infrastructure away from fossil fuels to more renewable energy sources.”
"Nous contribuons à faire progresser les batteries lithium-ion en identifiant les processus moléculaires impliqués dans leur dégradation", a déclaré Michael Toney, auteur correspondant de l'article et professeur au Département de génie chimique et biologique. « Avoir une meilleure batterie est très important pour faire passer notre infrastructure énergétique des combustibles fossiles vers des sources d’énergie davantage renouvelables. »
Engineers have been working for years on designing lithium-ion batteries—the most common type of rechargeable batteries—without cobalt. Cobalt is an expensive rare mineral, and its mining process has been linked to grave environmental and human rights concerns. In the Democratic Republic of Congo, which supplies more than half of the world’s cobalt, many miners are children.
Les ingénieurs travaillent depuis des années à la conception de batteries lithium-ion, le type de batteries rechargeables le plus courant, sans cobalt. Le cobalt est un minéral rare et coûteux, et son processus d'extraction est associé à de graves préoccupations en matière d'environnement et de droits de l'homme. En République démocratique du Congo, qui fournit plus de la moitié du cobalt mondial, de nombreux mineurs sont des enfants.
So far, scientists have tried to use other elements such as nickel and magnesium to replace cobalt in lithium-ion batteries. But these batteries have even higher rates of self-discharge, which is when the battery’s internal chemical reactions reduce stored energy and degrade its capacity over time. Because of self-discharge, most EV batteries have a lifespan of seven to 10 years before they need to be replaced.
Jusqu’à présent, les scientifiques ont tenté d’utiliser d’autres éléments tels que le nickel et le magnésium pour remplacer le cobalt dans les batteries lithium-ion. Mais ces batteries ont des taux d’autodécharge encore plus élevés, c’est-à-dire lorsque les réactions chimiques internes de la batterie réduisent l’énergie stockée et dégradent sa capacité au fil du temps. En raison de l’autodécharge, la plupart des batteries de véhicules électriques ont une durée de vie de sept à dix ans avant de devoir être remplacées.
Toney, who is also a fellow of the Renewable and Sustainable Energy Institute, and his team set out to investigate the cause of self-discharge. In a typical lithium-ion battery, lithium ions, which carry charges, move from one side of the battery, called the anode, to the other side, called the cathode, through a medium called an electrolyte. During this process, the flow of these charged ions forms an electric current that powers electronic devices.
Toney, qui est également membre du Renewable and Sustainable Energy Institute, et son équipe ont entrepris d'enquêter sur la cause de l'autodécharge. Dans une batterie lithium-ion typique, les ions lithium, qui transportent des charges, se déplacent d'un côté de la batterie, appelé anode, à l'autre côté, appelé cathode, à travers un milieu appelé électrolyte. Au cours de ce processus, le flux de ces ions chargés forme un courant électrique qui alimente les appareils électroniques.
Charging the battery reverses the flow of the charged ions and returns them to the anode.
Le chargement de la batterie inverse le flux des ions chargés et les renvoie à l'anode.
Previously, scientists thought batteries self-discharge because not all lithium ions return to the anode when charging, reducing the number of charged ions available to form the current and provide power.
Auparavant, les scientifiques pensaient que les batteries se déchargeaient automatiquement car tous les ions lithium ne retournaient pas à l'anode lors de la charge, ce qui réduisait le nombre d'ions chargés disponibles pour former le courant et fournir de l'énergie.
Using the Advanced Photon Source, a powerful X-ray machine, at the U.S. Department of Energy’s Argonne National Laboratory in Illinois, the research team discovered that hydrogen molecules from the battery’s electrolyte would move to cathode and take the spots that lithium ions normally bind to. As a result, lithium ions have fewer places to bind to on the cathode, weakening the electric current and decreasing the battery’s capacity.
À l'aide de l'Advanced Photon Source, un puissant appareil à rayons X, situé au laboratoire national Argonne du ministère américain de l'Énergie, dans l'Illinois, l'équipe de recherche a découvert que les molécules d'hydrogène de l'électrolyte de la batterie se déplaceraient vers la cathode et occuperaient les endroits auxquels les ions lithium se lient normalement. . En conséquence, les ions lithium ont moins d’endroits où se lier sur la cathode, ce qui affaiblit le courant électrique et diminue la capacité de la batterie.
“This study provides critical insights into the self-discharge behavior of layered cathode materials in lithium-ion batteries and paves the way for the rational design of high-performance and long-lasting batteries for a wide range of applications, including electric vehicles and grid energy storage,” said Argonne scientist Jun-Sang Park, a co-author of the new study.
« Cette étude fournit des informations essentielles sur le comportement d'autodécharge des matériaux cathodiques en couches dans les batteries lithium-ion et ouvre la voie à la conception rationnelle de batteries hautes performances et durables pour un large éventail d'applications, notamment les véhicules électriques et les réseaux. stockage d'énergie », a déclaré le scientifique d'Argonne Jun-Sang Park, co-auteur de la nouvelle étude.
Transportation is the single largest source of greenhouse gases generated in the U.S, accounting for 28% of the country’s emissions in 2021. In an effort to reduce emissions, many automakers have committed to moving away from developing gasoline cars to produce more EVs instead. But EV manufacturers face a host of challenges, including limited driving range, higher production costs and shorter battery lifespan than conventional vehicles. In the U.S. market, a typical all-electric car can run about 250 miles in a single charge, about 60% that of a gasoline car.
Les transports sont la plus grande source de gaz à effet de serre générés aux États-Unis, représentant 28 % des émissions du pays en 2021. Dans un effort de réduction des émissions, de nombreux constructeurs automobiles se sont engagés à abandonner le développement de voitures à essence pour produire davantage de véhicules électriques. Mais les constructeurs de véhicules électriques sont confrontés à de nombreux défis, notamment une autonomie limitée, des coûts de production plus élevés et une durée de vie des batteries plus courte que celle des véhicules conventionnels. Sur le marché américain, une voiture 100 % électrique typique peut parcourir environ 250 miles avec une seule charge, soit environ 60 % de celle d’une voiture à essence.
The new study has the potential to address all of these issues, Toney said.
La nouvelle étude a le potentiel de résoudre tous ces problèmes, a déclaré Toney.
“All consumers want cars with a large driving range. Some of these low cobalt-containing batteries can potentially provide a higher driving range, but we also need to make sure they don’t fall apart in a short period of time,” he said, noting that reducing cobalt can also reduce costs and address human rights and energy justice concerns.
« Tous les consommateurs veulent des voitures avec une grande autonomie. Certaines de ces batteries à faible teneur en cobalt peuvent potentiellement offrir une autonomie plus élevée, mais nous devons également nous assurer qu'elles ne s'effondrent pas en peu de temps », a-t-il déclaré, notant que la réduction du cobalt peut également réduire les coûts et résoudre le problème. les droits de l’homme et la justice énergétique.
With a better understanding of the self-discharge mechanism, engineers can explore a few ways to prevent the process, such as coating the cathode with a special material to block hydrogen molecules or using a different electrolyte.
Avec une meilleure compréhension du mécanisme d’autodécharge, les ingénieurs peuvent explorer plusieurs façons d’empêcher le processus, comme recouvrir la cathode d’un matériau spécial pour bloquer les molécules d’hydrogène ou utiliser un électrolyte différent.
“Now that we understand what is causing batteries to degrade, we can inform the battery chemistry community on what needs to be improved when designing in batteries,” Toney said.
"Maintenant que nous comprenons ce qui cause la dégradation des batteries, nous pouvons informer la communauté de la chimie des batteries sur ce qui doit être amélioré lors de la conception des batteries", a déclaré Toney.
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