Ruban adhésif commun utilisé pour construire une meilleure batterie
La conception de batterie « sans anode » développée à l’Université Rice a une durée de vie plus courte mais est plus légère et plus performante.
Les scientifiques tirent parti de quelque chose que les gens utilisent tout le temps pour maintenir les bandages ensemble afin d’améliorer la technologie des batteries de nouvelle génération.
Des chercheurs de l’Université Rice ont transformé le ruban adhésif en un film d’oxyde de silicium qui peut être utilisé dans les anodes des batteries lithium-métal pour les rendre plus sûres et éviter la dégradation typique des conceptions actuelles, ont-ils déclaré.
Une équipe dirigée par le chimiste Rice et professeur James Tour a utilisé des techniques similaires à celles utilisées pour développer du graphène induit par laser pour créer un revêtement d’oxyde de silicium poreux mélangé à une petite quantité de graphène à partir du support en polyimide de la bande.
Les chercheurs l’ont utilisé pour créer une couche d’oxyde qui se forme directement sur le collecteur de courant de la batterie. La couche fonctionne comme une anode, qui est généralement constituée de graphite dans les conceptions lithium-ion.
Les chercheurs ont été inspirés à utiliser la bande des tentatives précédentes pour produire des films autonomes de graphène induit par laser, ont-ils déclaré. Contrairement aux films en polyimide pur, le ruban produisait non seulement du graphène induit par laser à partir du support en polyimide, mais également un film translucide là où l’adhésif avait été. Cela a permis à l’équipe d’explorer d’autres possibilités pour ce matériau.
Pour former la couche, les chercheurs ont collé la bande sur un collecteur de courant en cuivre et ont utilisé un laser dessus à plusieurs reprises pour élever rapidement sa température à 2 300 Kelvin, ou 3 680 degrés Fahrenheit. Ce processus a généré un revêtement poreux composé principalement de silicium et d’oxygène, ainsi qu’une petite quantité de carbone sous forme de graphène.
Moins de dégradation
Lors des tests, le film a semblé s’imprégner et libérer du lithium métal sans permettre la formation de dendrites, ou de structures en forme d’aiguille, pouvant entraîner une défaillance catastrophique de la batterie et même potentiellement provoquer un incendie.
Dans une batterie lithium-métal, le lithium métal a tendance à se dégrader rapidement pendant les cycles de charge et de décharge de la batterie avec le collecteur de courant nu. Cependant, en utilisant l’oxyde de silicium induit par laser (LI-SiO), cette dégradation ne s’est pas produite, a déclaré Weiyin Chen, un étudiant diplômé de Rice qui a travaillé sur la recherche.
« Dans les batteries lithium-ion traditionnelles, les ions lithium sont intercalés dans une structure en graphite lors de la charge et se désintercalent lorsque la batterie se décharge », a-t-il déclaré dans un communiqué de presse. « Six atomes de carbone sont utilisés pour stocker un atome de lithium lorsque la pleine capacité du graphite est utilisée. »
Mais comme aucun graphite n’est utilisé dans une anode lithium-métal, les ions lithium se déplacent directement de la surface de l’anode métallique lorsque la batterie se décharge, a déclaré Chen.
« Les anodes en lithium métal sont considérées comme une technologie clé pour le développement futur des batteries une fois que leurs problèmes de sécurité et de performances sont résolus », a-t-il déclaré.
Avantages et inconvénients
Certains de ces problèmes incluent le principal inconvénient de l’utilisation du film LI-SiO dans la structure d’anode lithium-métal, à savoir qu’ils ont une courte durée de vie.
Cependant, les chercheurs ont déclaré que les avantages l’emportent sur les inconvénients. La nouvelle conception « sans anode » est plus légère et offre de meilleures performances, des caractéristiques bien adaptées aux batteries pour les applications nécessitant des dispositifs de stockage d’énergie légers tout en répondant aux besoins énergétiques.
En effet, les chercheurs ont noté que le LI-SiO a triplé la durée de vie des batteries par rapport aux autres batteries au lithium métal sans excès. Les batteries revêtues de LI-SiO ont fourni 60 cycles de charge-décharge tout en conservant 70 pour cent de leur capacité.
Les chercheurs ont publié un article sur leurs travaux dans la revue Matériaux avancés.
Tour a déclaré qu’il pensait que l’invention pourrait rendre les batteries lithium-métal adaptées comme batteries hautes performances pour les expéditions en plein air ou comme stockage de grande capacité pour les pannes à court terme dans les zones rurales.
La production de la batterie sans anode devrait également évoluer et peut être effectuée rapidement, sans solvants, sans atmosphère et température ambiantes, a déclaré Tour. L’utilisation de lasers industriels standard devrait permettre à l’industrie de se développer pour une production sur de grandes surfaces. La technique a également le potentiel de produire des films pour supporter des nanoparticules métalliques, des revêtements protecteurs et des filtres, a-t-il ajouté.
