La nouvelle batterie au lithium résout deux problèmes clés

Les limites et les défis des conceptions actuelles de batteries lithium-ion sont bien documentées, c’est pourquoi les chercheurs ont cherché une myriade de moyens d’améliorer ces dispositifs de stockage d’énergie largement utilisés.

L’un des derniers en date vient de l’Université Texas A&M, qui a inventé une nouvelle anode pour les batteries qui, selon les chercheurs, résout deux problèmes clés avec les batteries actuelles : leur tendance à surchauffer et potentiellement prendre feu, et le temps considérable qu’il leur faut pour se charger.

Les chercheurs ont utilisé un matériau appelé nanotube de carbone pour remplacer le graphite généralement utilisé pour l’anode de la batterie, qui, selon eux, permet un stockage plus sûr de plus d’ions lithium dans le compartiment, qui agit comme un conducteur électrique, a déclaré Juran Noh, un spécialiste des sciences des matériaux. étudiant diplômé dans le laboratoire du professeur Choongho Yu du département de génie mécanique de l’université.

« Cette nouvelle architecture empêche le lithium de s’accumuler à l’extérieur de l’anode, ce qui avec le temps peut provoquer un contact involontaire entre le contenu des deux compartiments de la batterie, ce qui est l’une des principales causes d’explosion de l’appareil », a-t-elle déclaré dans un communiqué de presse.

Cela rend également le processus d’extraction des ions de l’anode vers la cathode plus efficace, permettant à la batterie de produire les « courants importants et soutenus nécessaires pour charger rapidement les appareils », a déclaré Noh.

Peaufiner le matériel

Lorsque les batteries au lithium sont utilisées, les particules chargées se déplacent entre l’anode et la cathode de la batterie, se déplaçant d’un côté à l’autre. Dans le même temps, les ions lithium voyagent dans l’autre sens. Les électrons et les ions lithium retournent dans leurs compartiments d’origine lorsque la batterie se charge.

La clé de la conception de l’anode conçue par l’équipe de Noh réside dans les nanotubes de carbone, qui sont légers et, plus important encore, contiennent des espaces ou des pores pour que les ions lithium pénètrent et se déposent.

Cela évite certains problèmes actuels avec l’utilisation de graphite dans l’anode de la batterie, qui peut limiter le flux d’ions lithium en raison de la conception en couches utilisée avec le matériau dans les batteries, ont déclaré les chercheurs. C’est cette situation qui peut provoquer une défaillance de la batterie et l’effet de charge lente.

Cependant, les nanotubes de carbone eux-mêmes ne se lient pas favorablement aux ions lithium. Pour remédier à cela, Noh et son équipe ont créé des anodes avec des versions alternatives du matériau qui ont une chimie de surface différente, a-t-elle déclaré. L’une de ces anodes comprenait une abondance de groupes moléculaires pouvant se lier aux ions lithium, et une autre avait les mêmes molécules mais en moins grande abondance, a-t-elle déclaré.

Tester les résultats

Les chercheurs ont ensuite construit des batteries en utilisant ces anodes pour tester leur tendance à former des dendrites, qui sont des structures en forme d’aiguilles qui se développent entre la cathode et l’anode des batteries, ce qui peut les faire tomber en panne et prendre feu.

Lors des tests, les anodes qui utilisaient une abondance de molécules de liaison formaient également un nombre important de dendrites, ce qui n’a pas résolu le problème comme le souhaitaient les chercheurs.

Cependant, l’équipe a réussi avec les anodes de nanotubes de carbone qui avaient une plus petite quantité de molécules de liaison, a rapporté Noh. Ceux-ci ont empêché la formation de dendrites et ont permis à un grand nombre d’ions lithium de se lier et de se propager le long de la surface de l’échafaudage. Ce dernier effet a renforcé la capacité de la batterie à produire des courants importants et soutenus, a-t-elle déclaré.

« Lorsque nous disposions de la bonne quantité de ces molécules de liaison, nous pouvions « décompresser » les échafaudages de nanotubes de carbone à certains endroits seulement, permettant aux ions lithium de traverser et de se lier à toute la surface des échafaudages plutôt que de s’accumuler sur la surface extérieure de l’anode et former des dendrites », a déclaré Noh dans un communiqué de presse.

Les chercheurs ont publié un article sur leurs travaux dans la revue Lettres nano.

Dans d’autres tests, les anodes les plus performantes développées par l’équipe pourraient supporter des courants cinq fois plus élevés que les batteries au lithium disponibles dans le commerce, ont rapporté les chercheurs.

La recherche pourrait être particulièrement bien adaptée à la conception de batteries à grande échelle, telles que celles utilisées dans les véhicules électriques, qui nécessitent une charge rapide, a ajouté Noh.