Des batteries rechargeables Li-ion plus performantes d’ici 5 ans

Une équipe d’ingénieurs a créé une électrode à destination des batteries au lithium-ion permettant à celles-ci de retenir une charge d’électricité jusqu’à 10 fois plus importantes que la technologie actuelle. Les batteries dotées de cette nouvelle électrode pourraient aussi être rechargées 10 fois plus rapidement.

Les chercheurs ont combiné deux approches chimiques en une seule, dans l’aspect de la limitation de la batterie, à savoir : la capacité énergique et le taux de charge. Par ailleurs, cette technologie pourrait également s’insérer dans la voie des transports électriques avec des batteries plus compactes. Selon les chercheurs, elle pourrait même être sur le marché dans les 3 à 5 prochaines années.

"Nous avons trouvé un moyen de prolonger de 10 fois, la durée de vie de la nouvelle batterie au lithium-ion", a déclaré Harold H. Kung, auteur principal de l’article publié dans le journal Advanced Energy Materials. "Même après 150 cycles, équivalent à des opérations réalisées durant une année, la batterie reste encore 5 fois plus efficaces que les batteries lithium-ion mises sur le marché aujourd’hui."

Les batteries au lithium-ion sont chargées par une réaction chimique dans laquelle des ions lithium sont envoyés entre les deux extrémités de la pile, l’anode et la cathode. Lorsque l’énergie stockée dans la batterie est sollicitée, les ions lithium voyagent vers l’anode, à travers l’électrolyte et vers la cathode ; A l’inverse, lorsque la batterie est rechargée, les ions voyagent dans le sens opposé.

Avec la technologie actuelle, les performances d’une batterie lithium-ion demeurent limitées. Sa capacité énergétique – pendant combien de temps une batterie peut conserver sa charge – est limitée par la densité de charge, ou combien de ions lithium peuvent être encapsulés dans l’anode ou la cathode. Pendant ce temps, le taux de charge d’une batterie – la vitesse à laquelle elle se recharge – est limité par un autre facteur : la vitesse à laquelle les ions lithium peuvent faire leur chemin de l’électrolyte dans l’anode.

Dans les batteries rechargeables actuelles, l’anode – faite de couches superposées de feuilles de graphène à base de carbone – peut accueillir uniquement un atome de lithium pour 6 atomes de carbone. Pour augmenter la capacité énergétique, les scientifiques ont expérimenté le remplacement du carbone avec du silicium, ce composant pouvant recevoir beaucoup plus de lithium : 4 atomes de lithium pour chaque atome de silicium. Toutefois, dans le processus de charge, le silicium a la facheuse tendance à se dilater et à se contracter de façon spectaculaire, provoquant des fragmentations et des pertes de capacité en charge rapide.

Actuellement, la vitesse du taux de charge de la batterie est entravée par la forme des feuilles de graphène : elles sont extrêmement minces – seulement 1 atome de carbone d’épaisseur. Pendant le processus de chargement, le lithium-ion doit voyager vers les bords extérieurs de la feuille de graphène avant d’entrer et de s’immobiliser entre les feuilles. Et comme cela prend du temps pour le lithium de se rendre au milieu de la feuille de graphène, une sorte de "bouchon de circulation ionique" se produit sur les bords du matériau.

L’équipe de recherche de H. Kung a combiné 2 techniques pour combattre ces 2 problèmes. Tout d’abord, pour stabiliser le silicium, afin de maintenir la capacité de charge maximum, ils ont pris en sandwich les grappes de silicium entre les feuillets de graphène. Cela a permis d’accumuler un plus grand nombre d’atomes de lithium dans l’électrode tout en utilisant la souplesse des feuilles de graphène pour s’adapter aux changements de volume du silicium lors de l’utilisation.

"Maintenant nous avons presque le meilleur des 2 mondes," a indiqué H. Kung "Nous avons une densité d’énergie beaucoup plus élevée grâce au silicium, et la prise en sandwich réduit la perte de capacité provoquée par l’expansion et la contraction du silicium. Même si les grappes de silicium sont brisées, le silicium ne sera pas perdu pour autant."

Enfin, l’équipe de H. Kung a utilisé un procédé d’oxydation chimique pour créer de minuscules trous (10 à 20 nanomètres) dans les feuilles de graphène ("in-plane defects"). Le lithium-ion trouverait ainsi un "raccourci" vers l’anode avant d’y être stockée en réaction avec le silicium. Cela a réduit par 10 le temps nécessaire lors de la recharge.

> Article original intitulé "In-Plane Vacancy-Enabled High-Power Si-Graphene Composite Electrode for Lithium-Ion Batteries."