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 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

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[ Communiqué ]
Lien principal : pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/ee/c7ee03571c#!divAbstract

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AtomicBoy44

Nombre de cycles ?
Densité énergético-massive en W/kg ?
ACV ? Recylcabilité ?
Juste du souffre ? Pas de lithium ? électronégativité des composants ?

Ça s’rait pas du NAS amĂ©liorĂ© son truc ?

Les marloques et le marketing …