Lorsque les températures descendent en dessous de zéro, les téléphones portables doivent être rechargés fréquemment et les voitures électriques ont une autonomie réduite. Cela s’explique par le fait que les anodes de leurs batteries au lithium-ion deviennent léthargiques, qu’elles retiennent moins de charge et qu’elles se vident rapidement de leur énergie. Afin d’améliorer les performances électriques dans le froid extrême, des chercheurs ont remplacé l’anode traditionnelle en graphite d’une batterie lithium-ion par un matériau bosselé à base de carbone, qui conserve sa capacité de stockage rechargeable jusqu’à -35°C.
Les batteries lithium-ion sont idéales pour alimenter les appareils électroniques rechargeables, car elles peuvent stocker beaucoup d’énergie et ont une longue durée de vie. Mais lorsque la température descend sous le point de congélation, les performances électriques de ces sources d’énergie diminuent, et lorsque les conditions sont suffisamment froides, elles peuvent ne plus transférer de charge. C’est pourquoi certaines personnes vivant dans le Midwest américain ont des problèmes avec leur voiture électrique en plein hiver, et pourquoi il est risqué d’utiliser ces batteries dans les explorations spatiales.
Récemment, les scientifiques ont déterminé que l’orientation plate du graphite dans l’anode est responsable de la baisse de la capacité de stockage d’énergie d’une batterie lithium-ion dans le froid. Xi Wang, Jiannian Yao et leurs collègues ont donc voulu modifier la structure de surface d’un matériau à base de carbone pour améliorer le processus de transfert de charge de l’anode.
Pour créer ce nouveau matériau, les chercheurs ont chauffé à haute température une zéolite imidazolate contenant du cobalt (connue sous le nom de ZIF-67). Les nanosphères de carbone à 12 côtés qui en résultent ont des surfaces bosselées qui présentent d’excellentes capacités de transfert de charge électrique.
L’équipe a ensuite testé les performances électriques du matériau comme anode, avec du lithium métallique comme cathode, à l’intérieur d’une batterie en forme de pièce de monnaie.
L’anode a démontré une charge et une décharge stables à des températures allant de 25°C à -20°C et a maintenu 85,9 % de la capacité de stockage d’énergie à température ambiante juste en dessous du point de congélation. En comparaison, les batteries lithium-ion fabriquées avec d’autres anodes à base de carbone, y compris le graphite et les nanotubes de carbone, ne conservaient pratiquement aucune charge à des températures de congélation.
Lorsque les chercheurs ont abaissé la température de l’air à -35°C, l’anode fabriquée avec des nanosphères bosselées était toujours rechargeable et, pendant la décharge, elle a libéré près de 100 % de la charge placée dans la batterie. Selon les chercheurs, l’incorporation de la nanosphère bosselée dans les batteries lithium-ion pourrait ouvrir la voie à l’utilisation de ces sources d’énergie à des températures extrêmement basses.
Les auteurs reconnaissent le financement du Fonds de recherche fondamentale des universités centrales (Chine), de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, du ministère chinois des sciences et de la technologie, du projet scientifique et technologique de la province de Guangdong, du laboratoire de chimie et de génie chimique de Guangdong et de l’université Jiaotong de Pékin.
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[ Communiqué ]
Lien principal : dx.doi.org/10.1021/acscentsci.2c00411
