Batterie chinoise atteint 602,5 Wh/kg pour les drones

Des chercheurs chinois ont conçu une cellule souple au lithium-métal à haute stabilité, dont la densité énergétique dépasse 600 Wh/kg, ouvrant une piste pour allonger l’autonomie de vol des drones et des aéronefs électriques à décollage et atterrissage verticaux.

Cette avancée est le fruit d’une collaboration entre le laboratoire Tianmushan et l’université Tsinghua, qui ont développé un nouvel additif électrolytique destiné à protéger simultanément l’anode et la cathode.

L’étude vise à résoudre les problèmes de stabilité, de durée de vie cyclique et de sécurité qui freinent jusqu’à présent l’exploitation commerciale des batteries lithium-métal à haute énergie.

Densité énergétique de 602,5 Wh/kg

Les batteries lithium-ion commerciales utilisent généralement des anodes en graphite et s’approchent de leur limite théorique de densité énergétique, fixée à environ 350 Wh/kg.

Ce plafond rend de plus en plus difficile la satisfaction des exigences d’autonomie des nouveaux aéronefs électriques.

Le lithium-métal constitue une alternative à plus forte capacité, mais il soulève des défis techniques majeurs : la décomposition de l’électrolyte sous haute tension et la croissance de dendrites lithiées en forme d’aiguille sur l’anode.

Ces dendrites nuisent à la stabilité de la batterie et peuvent engendrer des risques pour la sécurité. Les chercheurs n’avaient donc pas encore réussi à conjuguer haute densité énergétique, longue durée de vie cyclique et fonctionnement sûr.

L’équipe chinoise a testé sa formulation d’électrolyte dans des cellules souples de 10 Ah équipées de cathodes ternaires riches en nickel. Ces cellules ont atteint une densité énergétique de 550,7 Wh/kg et conservé 80 % de leur capacité initiale après 180 cycles.

Lorsque l’anode en lithium-métal a été couplée à une cathode à base de manganèse enrichie en lithium, l’énergie spécifique réversible a grimpé à 602,5 Wh/kg.

Selon les résultats publiés, cette valeur représente une progression supérieure à 50 % par rapport aux batteries de puissance actuellement disponibles sur le marché.

Un additif électrolytique protecteur bidirectionnel

L’innovation repose sur ce que les chercheurs qualifient de « structure de solvatation à coordination renforcée par additif ». Ce dispositif utilise un additif électrolytique inédit pour réguler les réactions aux interfaces des électrodes.

À la cathode, l’additif forme un film protecteur mince et dense, limitant les dégradations du matériau cathodique lors des cycles répétés de charge et décharge à haute tension.

À l’anode en lithium-métal, il génère une couche interfaciale stable qui inhibe la formation des dendrites, améliore l’efficacité du transport des ions lithium et atténue les risques associés.

En assurant une protection bilatérale, la conception électrolytique cherche à concilier trois propriétés jusqu’ici difficiles à obtenir ensemble dans les batteries lithium-métal : densité énergétique élevée, stabilité cyclique accrue et fonctionnement plus sûr.

L’allongement des temps de vol reste un objectif futur

Cette recherche pourrait soutenir le développement de l’économie chinoise des basses altitudes, où des drones et des aéronefs eVTOL sont en cours de conception pour divers usages commerciaux.

Leur déploiement à grande échelle demeure toutefois freiné par la quantité d’énergie que les batteries peuvent emmagasiner sans accroître excessivement leur masse.

Une batterie affichant une densité énergétique de l’ordre de 600 Wh/kg permettrait de stocker nettement plus d’énergie pour une masse identique à celle des cellules commerciales actuelles.

Cela pourrait prolonger la durée de vol des aéronefs électriques, bien que l’étude ne fournisse aucune estimation quantitative précise de cet allongement.

La technologie n’est pas encore prête pour une commercialisation. Les chercheurs précisent qu’elle se situe encore au stade de la recherche fondamentale en laboratoire et nécessitera des développements techniques supplémentaires avant toute fabrication à grande échelle.

L’étude a été publiée dans la revue Nature Communications.