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Batteries lithium-ion de plus grande capacité
Des chercheurs en France ont créé des électrodes de batterie lithium-ion avec plusieurs fois la capacité énergétique, en poids et en volume, des électrodes conventionnelles. Les nouvelles électrodes pourraient aider à réduire la taille des batteries des téléphones portables et des ordinateurs portables, ou bien augmenter la durée pendant laquelle un appareil peut fonctionner avec une charge. De plus, les méthodes nanotechnologiques utilisées pour fabriquer ces électrodes pourraient fournir un moyen simple et peu coûteux de structurer de nouveaux matériaux pour les batteries de nouvelle génération pour les véhicules hybrides rechargeables et tout électriques.
Une forêt de tiges de cuivre d'environ 100 nanomètres de diamètre crée beaucoup plus de surface pour les électrodes de batterie haute capacité.
L'avancée clé est le développement d'un moyen peu coûteux et simple d'organiser de minuscules particules dans une nanostructure souhaitée, explique Patrice Simon, professeur de chimie à l'Université Paul Sabatier, qui a participé aux travaux avec d'autres chercheurs de l'université et de l'Université Picardie Jules. Verne.
Dans une électrode de batterie conventionnelle, les ions et les électrons entreront et sortiront rapidement du matériau actif - permettant une charge et une décharge rapides - uniquement si le matériau est déposé dans un film très mince. Les films minces limitent cependant la quantité de matière active qui peut être incorporée dans une batterie. Pour les batteries haute capacité, les ingénieurs augmentent généralement l'épaisseur du matériau actif, en échangeant une charge rapide et des rafales de haute puissance pour plus de stockage d'énergie.
Cette nouvelle nanostructure permet à la fois une puissance élevée et une capacité de stockage élevée. Des matériaux actifs sont appliqués dans un film très mince à des nanotiges de cuivre ancrées à des feuilles de feuille de cuivre. Ce film mince permet un mouvement rapide des ions et des électrons - fournissant la puissance. Dans le même temps, la grande surface spécifique de la forêt de nanotiges permet d'emballer beaucoup plus de matière active dans une électrode que les films minces ne le permettent généralement, augmentant ainsi la capacité énergétique. Les tiges fournissent 50 centimètres carrés de surface pour chaque centimètre carré d'électrode.
De plus, la forte mobilité ionique et électronique de la couche mince permet d'utiliser un nouveau matériau actif et une nouvelle réaction chimique pour les batteries lithium-ion. Cette nouvelle chimie est attrayante car elle peut contenir beaucoup plus d'ions lithium et de leurs homologues électroniques que la chimie utilisée actuellement, stockant ainsi potentiellement plus d'énergie.
Les nouvelles électrodes, qui seraient utilisées comme électrodes négatives dans les batteries lithium-ion, ont également montré la capacité de conserver leur haute capacité après avoir été chargées et déchargées plusieurs fois, ce qui suggère que les électrodes peuvent avoir une longue durée de vie, explique Simon, bien que des tests plus poussés sont nécessaires pour confirmer cette supposition.
Car cette avancée, décrite en ligne cette semaine dans Matériaux naturels , s'applique jusqu'à présent aux électrodes négatives, le pourcentage d'augmentation de la capacité par rapport aux batteries actuelles dépendra également de la capacité de l'électrode positive. (Voir Battery Breakthrough pour une description d'un candidat potentiel d'électrode positive cité par les chercheurs.) Les premières applications de la technologie seront probablement des batteries extrêmement petites, dit Simon. Ceux-ci pourraient être utiles pour les capteurs à distance ou les implants médicaux. D'autres applications nécessiteront d'augmenter la taille des électrodes que les chercheurs peuvent fabriquer, mais aussi d'optimiser le matériau actif qu'ils utilisent.
Les matériaux utilisés dans les expériences rapportées ne sont pas économes en énergie - environ 20 à 25 % de l'énergie utilisée pour les charger ne peut pas être récupérée lors de leur décharge. Cette perte d'énergie n'est pas un gros problème avec les batteries des téléphones portables, explique Gerbrand Ceder, professeur de science des matériaux et d'ingénierie au MIT. Au cours de la vie, vous dépensez probablement quelques centimes pour recharger le téléphone portable, dit-il. Mais pour les applications énergétiques plus importantes, telles que les véhicules électriques, ce manque d'efficacité pourrait être coûteux, en particulier avec des prix de l'électricité élevés. Pour cette raison, les chercheurs incorporent dans leurs électrodes nanostructurées différents matériaux actifs de grande capacité qui ne présentent pas ce problème d'efficacité énergétique.
A se tourner vers les nanotechnologies pour améliorer les batteries, les chercheurs français ne sont pas les seuls. Au moins deux sociétés, A123 Systems, à Watertown, MA, et Altair Nano, à Reno, NV, ont fabriqué des batteries qui incluent des électrodes avec des matériaux actifs nanostructurés ; et de nombreux groupes de recherche dans le monde développent de telles électrodes. Simon décrit le processus de son groupe comme étant plus simple et moins cher que de nombreuses autres méthodes de fabrication de nanostructures. Il est également polyvalent, capable d'être utilisé avec une variété de matières actives, dit-il.
Cela pourrait également être important pour une autre tendance clé de la recherche sur les batteries : le passage des couches plates de matériaux d'électrode aux électrodes positives et négatives qui s'interpénètrent - une architecture tridimensionnelle qui peut améliorer la mobilité des ions et des électrodes, augmentant ainsi la puissance de la batterie. Le groupe français travaille également désormais sur une batterie tridimensionnelle, dit Simon, qui combinera ses électrodes négatives avec une électrode positive haute performance.