Des particules de verre pour booster les batteries

À cet égard, les chercheurs ont déjà conçu de nouveaux matériaux qui présentent certes une densité d’énergie et une capacité de charge supérieure, mais qui sont plus massifs ou plus grands que ceux utilisés actuellement dans les batteries lithium-ion.

Les batteries du moment fournissent une alimentation fiable pour nos smartphones et nos ordinateurs portables, nos voitures électriques, mais sont incapables de faire face à la demande croissante qui leur est imposée. "Nous avons besoin d’une nouvelle chimie et de nouveaux composés, pour obtenir des batteries plus performantes, durables et sûres" résume le Dr Semih Afyon, chercheur à l’Institut des matériaux électrochimiques de l’ETH Zürich.

Des particules de verre au lieu de cristaux

Des chercheurs de l’ETH ont découvert un matériau qui pourrait avoir le potentiel de doubler la capacité de la batterie, où il est utilisé comme matériau de cathode : du verre en vanadate-borate.

Le matériau constitué d’oxyde de vanadium (V2O5) et de lithium-borate (précurseurs LiBO2), a été revêtu d’oxyde de graphite afin d’améliorer les propriétés des électrodes. Les chercheurs ont utilisé un composé à base de vanadium. En effet, le vanadium est un métal de transition avec divers états d’oxydation capable d’atteindre des capacités plus élevées. Sous forme cristalline, le pentoxyde de vanadium peut prendre trois ions de lithium chargés positivement – trois fois plus que les matériaux actuellement utilisés dans les cathodes, tels que le phosphate de fer lithié.

Toutefois, le vanadium cristallin pentoxyde ne peut pas libérer tous les Li-ions insérés et ne permet que quelques cycles de charge / décharge stables. En effet, une fois que les ions lithium traversent le réseau cristallin au cours du processus de chargement, le réseau se développe. Par conséquent, la particule de l’électrode gonfle dans son ensemble, c’est à dire qu’elle augmente de volume avant de se rétrécir à nouveau, une fois que les charges quittent la particule. Ce processus peut conduire à des instabilités dans le matériau de l’électrode en termes de changements structurels et de pertes de contact.

Les chercheurs ont donc dû trouver un moyen de conserver la structure de la matière première tout en maximisant la capacité et en maintenant sa capacité à «prendre» les charges. Dans le verre, un matériau dit "amorphe", les atomes ne s’arrangent pas dans un réseau régulier comme ils le font dans un état cristallin. Au lieu de cela, les atomes se présentent dans un état de désordre.

Une production simple et peu coûteuse

Pour produire le matériau cathode, le Dr. Afyon et ses collègues ont mélangé la poudre de pentoxyde de vanadium avec des composés de borate. "Le Borate est un verre ancien, c’est pourquoi les composés de borate ont été utilisés, et le composé de verre résultant est au final un nouveau type de matériau, ni V2O5, ni LiBO2", a précisé le chercheur. Les scientifiques ont fait fondre la poudre à 900°C avant de le refroidir le plus rapidement possible pour former du verre. Les films minces ainsi fabriqués ont été broyés en une poudre avant leur nouvelle utilisation, car cela augmente la surface et crée un espace poreux. "Un avantage majeur du verre en vanadate-borate reste qu’il est simple et peu coûteux à fabriquer", affirme le Dr. Afyon. Cela devrait augmenter les chances de trouver une application industrielle.

Pour produire une électrode efficace, le chercheur a combiné la poudre vanadate-borate avec une réduction de l’oxyde de graphite (RGO). Cela augmente la conductivité tout en protégeant en même temps les particules de l’électrode. Toutefois, il n’entrave pas les électrons et les ions lithium tels qu’ils sont transportés à travers les électrodes.

Le Dr. Afyon a utilisé la poudre de verre en vanadate-borate pour les cathodes des batteries, qu’il a ensuite intégré dans des prototypes de piles de la taille d’une pièce afin de subir de nombreux cycles charge / décharge.

Deux fois plus de puissance

Lors des essais initiaux avec des électrodes en vanadate-borate, qui n’ont pas été faites avec un matériau recouvert de RGO, la capacité de décharge a chuté radicalement après 30 cycles de charge / décharge, lorsque le taux actuel a été porté à 400 milliampères par gramme. En revanche, lorsque le revêtement RGO a été utilisé, la capacité était assez stable à des taux élevés. Le taux est resté à un niveau élevé même après plus de 100 cycles de charge / décharge.

Une batterie qui intégre des électrodes de verre en vanadate-borate et revêtue de RGO présentait une densité d’énergie de l’ordre de 1.000 watts-heures par kilogramme. Il atteint une capacité de décharge qui a largement dépassé les 300 mAh/g. Initialement, ce chiffre a même atteint 400 mAh/g, mais a chuté au cours des cycles de charge / décharge.

"Il y aurait assez d’énergie pour alimenter un téléphone mobile – entre 1,5 et deux fois – plus longtemps que les batteries actuelles au lithium-ion", estime pour conclure le Dr. Afyon. "Cela pourrait également augmenter l’autonomie des voitures électriques par un coefficient 1,5."