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Des particules de verre pour booster les batteries

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Dans la transition vers des sources d’énergie renouvelables, les accumulateurs jouent un rôle clé dans le stockage de l’énergie excédentaire des éoliennes ou des centrales solaires ou pour compenser des fluctuations énergétiques.

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."


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    9 Commentaires sur "Des particules de verre pour booster les batteries"

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    Tech
    Invité

    à retenir, gain possible d’un facteur 1,5 à 2 !!! le 1000 WH/kg en point de mire ! bravo, continuez.

    Pastilleverte
    Invité

    ça y est cett fois ? Juste une question (idiote sans doute), mais chauffer à 900°C et refroidir « le plus vite possible », combien d’énergie pour ce faire ? Anyway, comme dit en introduction, tout ce qui « améliore » substantiellement le stockage de l’électricité est bon à prendre !

    Liion
    Invité

    1000Wh/ kg de matière positive. Quand on rajoute tous les autres composants, on n’est encore jamais arrivé à faire mieux que 40% de cette valeur, ce qui ne sera déjà pas si mal !

    jpdebangui
    Invité

    Il y a quelque chose que je ne comprends pas très bien… Le graphite, c’est du carbone non ? L’oxyde de graphite c’est donc du CO ou du CO²… Je ne saisi pas comment se font les réactions citées !

    Tech
    Invité

    à Liion: ce qui est écit: « 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 » la démonstration a été faite! ce que l’on ne sait pas c’est qui, quand et comment pour l’industrialisation !

    Liion
    Invité

    Il vaut mieux aller lire l’article source chez scientific report (Publication Nature) : 400mAh/g de materiau de positive et une tension moyenne de 2.5V. Soit 1000Wh/kg de positive. Actuellement les meilleurs materiaux Li-ion sont à 700Wh/kg d’électrode (NCA) et avec au mieux on fait des batteries à 250Wh/kg. En conclusion : arcticle moins farfelu que d’habitude, mais il ne faut pas attendre de miracles.

    Irrite
    Invité

    Liion,vous avez encore très mal expliqué,alors je vais poser la question autrement ! Si une Tesla 85 S qui a,actuellement une autonomie de ~ 400 Km,installe ce nouveau type de batterie à la place de l’actuelle; Son autonomie augmentera t’elle oui ou non ? et de combien ??? D’ un facteur 1(identique,n’a pas bougé)? ou 1,4 ? ou 1.5 ? ou plus ? C’est ça la vraie question ! Prière d’y répondre si vous maitrisez le sujet ! Sinon,pas la peine de bavasser .Vos nuances sont mal expliquées et de ce fait incompréhensibles !

    Lionel-fr
    Invité
    Je ne sais pas si le sujet de l’article enerzine est relié à Tesla qui de son coté, annonce des baisses de prix impressionnantes .. Evidemment l’optimisation du rapport poids/puissance est tout aussi important et peut-être plus important que tout le reste, la disponibilité des matières premières : nul ne sait si des millions de véhicules lithium ne feraient pas exploser le prix de ce dernier ce qui nous ramènerait à l’âge du pétrole.. Voici l’article Bloomberg qui traite de tout ça de façon plus politique que scientifique : N’oublions pas que les USA ont souffert des guerres du pétrole… Lire plus »
    Tech
    Invité

    pour les mal lisants dont Liion, bis repetita: pourquoi maintenir les valeurs que vous annoncez alors qu’une démonsration a été faite !!! représentez-vous un fabricant de batteries Li/ion ? jetez donc un oeil à cet article qui parle d’une multiplication par 7 de la densité! pour irrité:  » « Cela pourrait également augmenter l’autonomie des voitures électriques par un coefficient 1,5. » » certe cela n’a pas été démontré, mais l’auteur indique que c’est dans le domaine du possible!

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