Pourquoi les batteries des véhicules électriques explosent-elles plus vite qu'on ne le pensait ?

On a longtemps cru que les cathodes monocristallines résoudraient les problèmes de durabilité des batteries, car elles sont dépourvues de jonctions internes (joints de grains) où les fissures se forment généralement. Mais une nouvelle étude, publiée dans la revue Nature Nanotechnology, révèle que certains monocristaux peuvent commencer à se fissurer de l'intérieur après seulement une centaine de cycles de charge-décharge.

Pourquoi le nickel ne suffit-il pas ? La plupart des constructeurs de véhicules électriques misent sur des cathodes à forte teneur en nickel, car cela permet une densité énergétique plus élevée et une plus grande autonomie. Le problème survient à haute tension, lorsque l’élimination du lithium fragilise les liaisons oxygène de la structure. Lorsque des fissures se forment, l’électrolyte liquide s’y infiltre, déclenchant des réactions chimiques indésirables. Ces réactions réduisent non seulement la capacité, mais augmentent également l’échauffement et donc le risque d’incendie.

L'équipe de recherche dirigée par le Dr Jing Wang a même découvert que le problème ne réside pas dans les joints, mais dans le mouvement inégal des ions lithium. Au sein d'une même particule cristalline, certaines régions absorbent le lithium plus rapidement que d'autres, ce qui crée des irrégularités dans le réseau cristallin.

– La surface de la particule change rapidement, tandis que le noyau reste à la traîne.
– Lorsque la dilatation ou la contraction dépasse la limite élastique du matériau, le cristal se fissure.
– La charge rapide accroît ces risques en forçant le lithium à se déplacer encore plus vite et de manière moins uniforme.

Bien que l'industrie cherche à réduire l'utilisation du cobalt, un élément coûteux, des tests ont montré qu'une faible quantité de ce métal dans des monocristaux s'avère bénéfique. Le cobalt fluidifie le lithium et limite la formation de zones de haute tension. En revanche, le manganèse présent dans ces échantillons a ralenti les réactions et accru le risque de fissuration, malgré son coût inférieur et son caractère moins controversé sur le plan éthique.

Les scientifiques soulignent désormais que l'avenir des batteries réside peut-être moins dans la maximisation de l'énergie que dans l'homogénéité des réactions au sein du matériau. La prochaine étape consistera à transposer ces connaissances, acquises en laboratoire, à des cellules de batterie complètes qui devront résister aux conditions réelles de conduite. L'objectif est de trouver des éléments accessibles permettant de stabiliser le nickel sans provoquer de nouveaux dommages internes.