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 Ă©lectronique.
Une nouvelle architecture de stockage de l’Ă©nergie qui a le potentiel de rĂ©aliser des charges ultrarapides a Ă©tĂ© dĂ©veloppĂ©e par un groupe de chercheurs de l’universitĂ© Cornell aux Etats-Unis dirigĂ© par M. Wiesner.
L’idĂ©e : entrelacer les composants dans une structure gyroĂŻdienne 3D auto-assemblĂ©e, avec des milliers de pores nanomĂ©triques remplis des composants nĂ©cessaires au stockage et Ă la distribution d’Ă©nergie.
« Il s’agit vĂ©ritablement d’une architecture de batterie rĂ©volutionnaire », a dĂ©clarĂ© M. Wiesner, dont l’article intitulé » Block Copolymer Derived 3-D Interpenetrating Multifunctional Gyroidal Nanohybrid for Electrical Energy Storage  » a Ă©tĂ© publiĂ© le 16 mai dans Energy and Environmental Science, une publication de la Royal Society of Chemistry.
« Cette architecture tridimensionnelle Ă©limine pratiquement toutes les pertes de volume dans votre appareil« , explique encore M. Wiesner. « Plus important encore, la rĂ©duction des dimensions de ces domaines interpĂ©nĂ©trĂ©s Ă l’Ă©chelle nanomĂ©trique, comme nous l’avons fait, vous donne des ordres de grandeur de densitĂ© de puissance supĂ©rieure. En d’autres termes, vous pouvez accĂ©der Ă l’Ă©nergie 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 Ă©lĂ©ments de la batterie qui se rĂ©trĂ©cissent Ă l’Ă©chelle nanomĂ©trique, « le temps que vous insĂ©riez votre câble dans la prise, en quelques secondes, peut-ĂŞtre mĂŞme plus rapidement, la batterie serait chargĂ©e« .
L’architecture de ce concept est basĂ©e sur l’auto-assemblage de copolymères sĂ©quencĂ©s, que le groupe Wiesner utilise depuis des annĂ©es dans d’autres dispositifs, notamment une cellule solaire gyroĂŻdienne et un supraconducteur gyroĂŻdien. Joerg Werner, Ph.D.’15, auteur principal de cet ouvrage, avait fait l’expĂ©rience des membranes de filtration auto-assemblables et se demandait si les mĂŞmes principes pouvaient ĂŞtre appliquĂ©s aux matĂ©riaux de carbone pour le stockage de l’Ă©nergie.
Les couches minces gyroĂŻdiennes de carbone – l’anode de la batterie, gĂ©nĂ©rĂ©e par auto-assemblage de copolymère bloc – prĂ©sentaient des milliers de pores pĂ©riodiques de l’ordre de 40 nanomètres de large. Ces pores ont ensuite Ă©tĂ© recouverts d’un sĂ©parateur de 10 nanomètres d’Ă©paisseur, Ă©lectroniquement isolant mais conducteur d’ions, par Ă©lectropolymĂ©risation, qui, de par la nature mĂŞme du procĂ©dĂ©, a produit une couche de sĂ©paration sans trous d’Ă©pingle.
C’est vital, car les dĂ©fauts comme les trous dans le sĂ©parateur sont ce qui peut conduire Ă des pannes catastrophiques donnant lieu Ă des incendies dans les appareils mobiles tels que les tĂ©lĂ©phones cellulaires et les ordinateurs portables.
L’Ă©tape suivante consiste Ă ajouter le matĂ©riau de la cathode – dans ce cas, du soufre – en une quantitĂ© qui ne remplit pas complètement le reste des pores. Comme le soufre peut accepter les Ă©lectrons mais ne conduit pas l’Ă©lectricitĂ©, l’Ă©tape finale est le remblayage avec un polymère conducteur Ă©lectronique – connu sous le nom de PEDOT (poly[3,4-Ă©thylènedioxythiophène]).
Bien que cette architecture offre une preuve de concept, a dit M. Wiesner, elle n’est pas exempte de dĂ©fis. Les changements de volume pendant la dĂ©charge et la charge de la batterie dĂ©gradent graduellement le capteur de charge PEDOT, qui ne subit pas l’expansion du volume causĂ©e par le soufre.
« Quand le soufre se dilate, dit Wiesner, il y a ces petits morceaux de polymère qui se dĂ©chirent, et il ne se reconnecte pas quand il rĂ©trĂ©cit Ă nouveau. Cela signifie qu’il y a des morceaux de la batterie 3D auxquels vous ne pouvez pas accĂ©der. »
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
[ Communiqué ]
Lien principal : pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/ee/c7ee03571c#!divAbstract
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