Des téléphones plus durables, des drones plus légers, des voitures électriques qui roulent plus loin. Ce ne sont là que quelques-unes des possibilités offertes par un nouveau séparateur de batterie conçu par des chercheurs de l’université de Floride et leurs partenaires.
Imaginez un minuscule filtre à café, mais qui fonctionne à l’intérieur d’une batterie. L’équipe a récemment démontré qu’un filtre d’une épaisseur d’un atome peut empêcher les chaînes de soufre de se déplacer à l’intérieur de la batterie, ce qui pourrait permettre de concrétiser la promesse tant attendue des batteries lithium-soufre.
Si les batteries lithium-soufre sont plus légères et offrent une plus grande puissance dans un boîtier plus léger que les batteries lithium-ion plus conventionnelles, leur défaut fatal est que le soufre ne coopère pas bien à l’intérieur du système. Il s’agglutine en longues chaînes qui obstruent le fonctionnement, épuisant la puissance de la batterie et réduisant sa durée de vie.
Les ingénieurs de l’UF, de l’université Purdue et de l’université Vanderbilt ont mis au point un filtre haute performance qui fonctionne au niveau moléculaire pour résoudre le problème.
« C’est comme un filtre à café microscopique ou un videur dans une boîte de nuit. Les minuscules ions lithium passent facilement, mais les chaînes de soufre volumineuses sont bloquées. » explique Piran Kidambi, professeur agrégé d’ingénierie mécanique et aérospatiale à l’UF et auteur de l’étude publiée ce mois-ci dans ACS Applied Materials and Interfaces.
Pourquoi est-ce important ?
Les batteries lithium-ion actuelles alimentent presque tout ce que nous transportons et conduisons, des smartphones aux véhicules électriques. Elles fonctionnent bien, mais elles ont atteint leurs limites en termes d’énergie stockée par rapport à leur poids.
« Les batteries lithium-ion ont été perfectionnées au fil du temps et fonctionnent très bien. Mais le lithium-soufre peut être beaucoup plus léger et stocker plus d’énergie électrique. » ajoute M. Kidambi.
Une batterie de véhicule électrique moyenne pèse environ 1 000 livres et offre une autonomie de 200 à 250 miles. Avec le lithium-soufre, pour un poids identique, un conducteur peut parcourir une plus grande distance avec une seule charge, observe M. Kidambi. Les téléphones portables auraient une plus grande autonomie entre deux charges, et des batteries plus légères permettraient aux drones de rester plus longtemps en vol.
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Un filtre à l’échelle atomique
Pour fabriquer le filtre, les chercheurs ont utilisé une méthode appelée dépôt chimique en phase vapeur. Ils commencent par une feuille de cuivre, qu’ils chauffent et sur laquelle ils font passer une vapeur. La réaction chimique laisse derrière elle un film de graphène avec des ouvertures parfaitement définies pour séparer le lithium des chaînes de soufre.
Lorsqu’ils ont testé leur conception, la différence était frappante. Les batteries non filtrées ont rapidement commencé à perdre en performance. Avec le filtre d’une épaisseur d’un atome, les batteries ont conservé la quasi-totalité de leur capacité pendant plus de 150 cycles de charge-décharge.
« Elles ont très bien fonctionné », a déclaré M. Kidambi. « Les autres ont perdu en performance à chaque charge et décharge, mais celles équipées de notre filtre sont restées stables. »
Au-delà des voitures et des téléphones
Les applications potentielles vont bien au-delà des appareils grand public. M. Kidambi a cité les camions de transport, les trains et même les navires, où le poids des batteries constitue un obstacle majeur.
« Lorsque l’on passe des voitures aux camions, aux trains ou aux navires, le poids des batteries augmente de manière exponentielle, car il faut plus d’énergie pour les déplacer », a-t-il ajouté. « C’est ce qu’on appelle la combinaison des poids. La batterie commence à peser presque autant que la charge qu’elle est censée déplacer. »
Un pas en avant, mais il reste encore beaucoup à faire
Il reste encore beaucoup de travail avant que les batteries lithium-soufre équipées de filtres de l’épaisseur d’un atome puissent être fabriquées à grande échelle et intégrées dans des appareils courants. Mais M. Kidambi est encouragé par leurs progrès.
« C’est une véritable réussite scientifique que de pouvoir montrer que nous pouvons résoudre un problème, et que nous pouvons le résoudre grâce à l’ingénierie au niveau atomique. C’est passionnant pour moi » a-t-il conclu.
Source : UFL
