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Les nanotubes donnent un coup de fouet aux batteries
Une batterie lithium-ion avec une électrode positive en nanotubes de carbone délivre 10 fois plus de puissance qu'une batterie conventionnelle et peut stocker cinq fois plus d'énergie qu'un ultracondensateur conventionnel. La technologie des batteries à nanotubes, développée par des chercheurs du MIT et concédée sous licence à une société de batteries non divulguée, pourrait conduire à des batteries qui améliorent les véhicules hybrides lourds et permettent une recharge plus rapide pour les gadgets électroniques, y compris les smartphones.
Nano puissance : Les pores entre les nanotubes de cette image de microscopie électronique à transmission peuvent stocker des ions lithium dans une batterie haute puissance.
Les chercheurs ont essayé de fabriquer des électrodes pour batteries lithium-ion à partir de nanotubes de carbone, car leur surface spécifique élevée et leur conductivité élevée promettent d'améliorer à la fois la densité d'énergie et de puissance par rapport aux formes conventionnelles de carbone. Mais travailler avec le matériau s'est avéré difficile - la plupart des méthodes d'assemblage de nanotubes de carbone nécessitent un agent de liaison qui réduit la conductivité de l'électrode et conduit à la formation de grumeaux du matériau, réduisant ainsi la surface. Les électrodes fabriquées par le groupe MIT ont cependant une très grande surface de stockage et de réaction avec le lithium. Cette surface élevée est essentielle à la fois pour la capacité de stockage élevée des électrodes, ainsi que pour leur puissance élevée : comme le lithium est stocké en surface, il peut entrer et sortir rapidement de l'électrode, permettant une charge et une décharge plus rapides de la batterie .
La clé de la performance des électrodes MIT est un processus d'assemblage qui crée des films de nanotubes de carbone denses, interconnectés mais poreux, sans avoir besoin de charges. Le groupe, dirigé par un professeur de génie chimique Paula Hammond et professeur de génie mécanique Yang Shao-Horn , créer des solutions aqueuses de nanotubes de carbone traités de manière à ce qu'un groupe soit chargé positivement et l'autre négativement. Ils plongent alors alternativement un substrat, tel qu'une lame de verre, dans les deux solutions, et les nanotubes, attirés par des différences de charge, s'accrochent très fortement les uns aux autres en couches minces uniformes. Les chercheurs avaient précédemment démontré que lorsqu'ils étaient chauffés et retirés du substrat, ces films denses mais poreux pouvaient stocker beaucoup de charge et la libérer rapidement, agissant comme une électrode dans un ultracondensateur.
Maintenant, le groupe MIT a adapté ces méthodes pour fabriquer des électrodes de batterie. Les batteries lithium-ion sont chargées et déchargées lorsque les ions lithium se déplacent d'une électrode à l'autre, entraînant ou étant entraînés par un courant externe. Plus la batterie peut stocker de lithium total, plus sa capacité totale de stockage d'énergie est grande. Plus les ions peuvent sortir rapidement d'une électrode et entrer dans l'autre, plus sa puissance est grande. Dans un travail publié cette semaine dans la revue Nature Nanotechnologie , le groupe MIT a montré que les ions lithium dans un électrolyte de batterie réagissent avec des groupes chimiques contenant de l'oxygène à la surface des nanotubes de carbone dans le film. En raison de l'énorme surface et de la structure poreuse des électrodes à nanotubes, les ions peuvent réagir à de nombreux endroits et ils peuvent entrer et sortir rapidement, ce qui confère à la batterie à nanotubes une capacité énergétique et une puissance élevées, explique Shao-Horn.
Ce travail a démontré une fois de plus que le développement de méthodes pour un contrôle structurel minutieux à l'échelle nanométrique conduit à des améliorations majeures des performances des matériaux, explique Nicolas Kotov , professeur de génie chimique à l'Université du Michigan. Je pense que ce n'est que le début de l'amélioration majeure des batteries au lithium en utilisant une approche d'ingénierie des matériaux.
La prochaine étape, dit Hammond, est d'accélérer les choses. En utilisant la méthode du trempage, le groupe est capable de fabriquer des films de nanotubes relativement épais, mais cela prend une semaine. Si vous voulez fabriquer une batterie de voiture, vous devez la rendre plus épaisse et sur de grandes surfaces, explique Hammond. Au lieu de tremper un substrat dans les deux solutions de nanotubes, le groupe de Hammond fabrique maintenant les électrodes en quelques heures en pulvérisant alternativement des brouillards dilués des deux solutions de nanotubes. Un avantage majeur de cette méthode de brumisation est qu'elle est compatible avec les processus d'impression sur de grandes surfaces qui promettent vitesse et compatibilité avec une large gamme de substrats. Par exemple, les batteries à nanotubes peuvent être imprimées directement sur des circuits intégrés.