Puzzle de stockage d’énergie vieux de plusieurs décennies résolu

Les chercheurs ont résolu un problème vieux de plusieurs décennies qui a intrigué les scientifiques pendant des années et peut être la clé de la création des systèmes de batterie ultra-rapides à petit facteur de forme nécessaires pour les futurs appareils et véhicules électroniques (VE).

Une équipe de recherche internationale, co-dirigée par l’Université du Texas (UT) à Austin, a découvert pourquoi un groupe d’oxydes métalliques à la recherche de nouvelles batteries lithium-ion peut stocker beaucoup plus d’énergie qu’il ne devrait être possible.

La découverte ouvre la voie au développement de batteries plus petites et plus puissantes qui peuvent se charger rapidement, des appareils actuellement nécessaires pour tout faire passer des smartphones aux véhicules électriques au niveau supérieur de conception.

Ce que l’équipe a découvert, c’est que les oxydes métalliques possèdent des moyens uniques de stocker l’énergie au-delà des mécanismes de stockage électrochimiques classiques, ont déclaré les chercheurs. Leurs travaux comprenaient l’identification de plusieurs types de composés métalliques avec une capacité de stockage d’énergie jusqu’à trois fois supérieure à celle des matériaux couramment trouvés dans les batteries lithium-ion actuellement disponibles dans le commerce.

La recherche résout un mystère matériel qui a « perplexe » les scientifiques pendant près de deux décennies, a déclaré Guihua Yu, professeur agrégé au département de génie mécanique Walker de la Cockrell School of Engineering de l’UT et l’un des chefs de file du projet.

« Ce travail démontre la toute première preuve expérimentale montrant que la charge supplémentaire est stockée physiquement à l’intérieur de ces matériaux via un mécanisme de stockage de charge spatiale », a-t-il déclaré dans un communiqué de presse.

L’équipe de l’UT a travaillé avec des chercheurs du MIT, de l’Université de Waterloo au Canada, de l’Université de Shandong en Chine, de l’Université de Qingdao en Chine et de l’Académie chinoise des sciences pour surveiller les matériaux et les observer au fil du temps afin de tirer leurs conclusions.

Enquête sur la capacité de charge

Les chercheurs ont utilisé une technique appelée magnétométrie in situ, une méthode de surveillance magnétique en temps réel généralement utilisée par les physiciens, pour étudier l’évolution de la structure électronique interne d’un matériau. La technique mesure la capacité de charge par des variations de magnétisme et peut être utilisée pour étudier le stockage de charge à très petite échelle, a déclaré Yu.

« Les résultats les plus significatifs ont été obtenus à partir d’une technique couramment utilisée par les physiciens mais très rarement dans la communauté des batteries », a-t-il déclaré dans un communiqué de presse.

Au centre de la découverte se trouvent des oxydes de métaux de transition, ou des composés contenant de l’oxygène lié à des métaux de transition tels que le fer, le nickel et le zinc.

Ce qu’ils ont découvert, c’est que l’énergie peut être stockée à l’intérieur des oxydes métalliques – par opposition aux méthodes typiques dans lesquelles les ions lithium entrent et sortent de ces matériaux ou convertissent leurs structures cristallines pour le stockage d’énergie. Les chercheurs ont également montré qu’une capacité de charge supplémentaire peut également être stockée à la surface des nanoparticules de fer formées au cours d’une série de processus électrochimiques conventionnels.

Une large gamme de métaux de transition a la capacité de démontrer cette capacité supplémentaire, tous avec une capacité commune : ils peuvent collecter une haute densité d’électrons.

Les chercheurs ont publié leurs travaux dans un article de la revue Matériaux naturels.

Bien qu’il faudra un certain temps pour optimiser pleinement les matériaux pour l’usage auquel ils sont destinés, les nouvelles découvertes devraient faire beaucoup pour montrer aux chercheurs comment libérer leur potentiel de stockage d’énergie, a déclaré Yu.

Une équipe de recherche internationale, codirigée par l’Université du Texas (UT) à Austin, a découvert pourquoi certains matériaux peuvent contenir plus de charge électrique qu’ils ne le devraient, ouvrant la voie à la construction de systèmes de stockage d’énergie ultra-rapides par batterie. (Source de l’image : UT)