Une batterie 3D auto-assemblée qui se charge en quelques secondes

Avec l’avènement des smartphones et autres appareils de communication de pointe, le monde entier est devenu un village global qui exige que les choses aillent toujours plus vite – y compris le temps qu’il faut pour charger un appareil électronique.

Une nouvelle architecture de stockage de l’énergie qui a le potentiel de réaliser des charges ultrarapides a été développée par un groupe de chercheurs de l’université Cornell aux Etats-Unis dirigé par M. Wiesner.

L’idée : entrelacer les composants dans une structure gyroïdienne 3D auto-assemblée, avec des milliers de pores nanométriques remplis des composants nécessaires au stockage et à la distribution d’énergie.

« Il s’agit véritablement d’une architecture de batterie révolutionnaire », a déclaré M. Wiesner, dont l’article intitulé » Block Copolymer Derived 3-D Interpenetrating Multifunctional Gyroidal Nanohybrid for Electrical Energy Storage  » a été publié le 16 mai dans Energy and Environmental Science, une publication de la Royal Society of Chemistry.

« Cette architecture tridimensionnelle élimine pratiquement toutes les pertes de volume dans votre appareil« , explique encore M. Wiesner. « Plus important encore, la réduction des dimensions de ces domaines interpénétrés à l’échelle nanométrique, comme nous l’avons fait, vous donne des ordres de grandeur de densité de puissance supérieure. En d’autres termes, vous pouvez accéder à l’énergie en beaucoup moins de temps que ce qui est habituellement fait avec les architectures de batteries conventionnelles. »

A quelle vitesse ?

M. Wiesner indique qu’en raison des dimensions des éléments de la batterie qui se rétrécissent à l’échelle nanométrique, « le temps que vous insériez votre câble dans la prise, en quelques secondes, peut-être même plus rapidement, la batterie serait chargée« .

L’architecture de ce concept est basée sur l’auto-assemblage de copolymères séquencés, que le groupe Wiesner utilise depuis des années dans d’autres dispositifs, notamment une cellule solaire gyroïdienne et un supraconducteur gyroïdien. Joerg Werner, Ph.D.’15, auteur principal de cet ouvrage, avait fait l’expérience des membranes de filtration auto-assemblables et se demandait si les mêmes principes pouvaient être appliqués aux matériaux de carbone pour le stockage de l’énergie.

Les couches minces gyroïdiennes de carbone – l’anode de la batterie, générée par auto-assemblage de copolymère bloc – présentaient des milliers de pores périodiques de l’ordre de 40 nanomètres de large. Ces pores ont ensuite été recouverts d’un séparateur de 10 nanomètres d’épaisseur, électroniquement isolant mais conducteur d’ions, par électropolymérisation, qui, de par la nature même du procédé, a produit une couche de séparation sans trous d’épingle.

C’est vital, car les défauts comme les trous dans le séparateur sont ce qui peut conduire à des pannes catastrophiques donnant lieu à des incendies dans les appareils mobiles tels que les téléphones cellulaires et les ordinateurs portables.

L’étape suivante consiste à ajouter le matériau de la cathode – dans ce cas, du soufre – en une quantité qui ne remplit pas complètement le reste des pores. Comme le soufre peut accepter les électrons mais ne conduit pas l’électricité, l’étape finale est le remblayage avec un polymère conducteur électronique – connu sous le nom de PEDOT (poly[3,4-éthylènedioxythiophène]).

Bien que cette architecture offre une preuve de concept, a dit M. Wiesner, elle n’est pas exempte de défis. Les changements de volume pendant la décharge et la charge de la batterie dégradent graduellement le capteur de charge PEDOT, qui ne subit pas l’expansion du volume causée par le soufre.

« Quand le soufre se dilate, dit Wiesner, il y a ces petits morceaux de polymère qui se déchirent, et il ne se reconnecte pas quand il rétrécit à nouveau. Cela signifie qu’il y a des morceaux de la batterie 3D auxquels vous ne pouvez pas accéder. »

Le groupe est encore en train de perfectionner la technique, mais il a demandé une protection par brevet pour le travail de validation de concept.

Parmi les autres collaborateurs à ce travail figurent Héctor Abruña, professeur Emile M. Chamot au Département de chimie et de biologie chimique, et G.G. Rodriguez-Calero, Ph.D.'14, ancien du groupe Abruña.

Ces travaux ont été soutenus dans le cadre du Energy Materials Center de Cornell (emc2), financé par le Département de l'énergie des États-Unis et en partie par la National Science Foundation. Des expériences ont été menées au Cornell Center for Materials Research (CCMR) et à la Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS), qui sont tous deux financés par la NSF.

Auteur : Tom Fleischman