Batteries lithium-ion : une nouvelle génération ininflammable

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Les batteries lithium-ion alimentent tout, des ordinateurs portables aux tondeuses à gazon en passant aux smartphones. Mais ils peuvent s’enflammer lorsqu’ils sont endommagés car ils reposent sur des composants inflammables.

Une nouvelle génération de batteries ininflammables

Maintenant, des chercheurs rapportent qu’ils ont repensé ces batteries pour fonctionner avec des matériaux ininflammables. En prime, ces nouvelles batteries pourraient même stocker plus d’énergie que les modèles actuels.

« Ce travail est «un progrès absolument remarquable», déclare Gleb Yushin, scientifique en matériaux au Georgia Institute of Technology d’Atlanta, qui n’a pas participé à cette recherche. Si elles sont commercialisées, ces nouvelles batteries pourraient contribuer à la sécurité des conducteurs de véhicules électriques, même en cas d’accident.

Les batteries lithium-ion contiennent trois composants principaux: deux électrodes de stockage de charge et un électrolyte organique liquide qui les sépare. L’électrolyte fait transiter les ions lithium entre les électrodes pendant le chargement et le déchargement, mais ils sont inflammables.

Ces dernières années, des chercheurs ont tenté de remplacer ces électrolytes organiques par des électrolytes solides ou des versions à base d’eau qui ne peuvent pas prendre feu. Toutefois, si la tension de fonctionnement de ces batteries à base d’eau dépasse 1,23 volt (V), voire inférieure à 1,5 V AA, ces électrodes peuvent réagir avec les molécules d’eau en se divisant en gaz hydrogène et oxygène, souvent avec des résultats explosifs.

Cependant, lorsque les chercheurs restent en dessous du seuil de 1,23 V, ils se retrouvent avec des batteries qui stockent beaucoup moins d’énergie que les cellules lithium-ion traditionnelles, qui fonctionnent à environ 4 V.

Une cathode à base de graphite qui fonctionne avec le WiSE

L’espoir d’une alternative est apparu en 2015, lorsque des chercheurs dirigés par Chunsheng Wang, scientifique en matériaux à l’Université du Maryland à College Park, ont annoncé la création d’un nouvel électrolyte à base d’eau riche en sel. Cet électrolyte eau-sel (WiSE) favorise la formation d’un bouclier solide de protection autour des électrodes qui les empêche de déchirer les molécules d’eau à l’intérieur de l’électrolyte. Mais les matériaux des électrodes dans ces batteries ne pourraient contenir que 3 V.

Les perspectives se sont améliorées en 2017, lorsque Wang et ses collègues ont annoncé avoir mis au point une électrode ou anode chargée positivement, un matériau compatible avec le fonctionnement en 4 V et fonctionnant avec le WiSE. Cela les a laissés s’occuper de l’électrode chargée négativement, ou cathode.

Maintenant, Wang et ses collègues l’ont fait. Ils signalent aujourd’hui dans Nature qu’ils ont mis au point une cathode à base de graphite qui fonctionne avec le WiSE à partir de 4 V et plus. Ce nouveau matériau de l’électrode comprend du brome et du chlore. Il est protégé de l’électrolyte à base d’eau en bloquant les matériaux d’électrode réactifs dans des particules de sel solides autour de l’électrode.

Cette batterie commence avec du lithium lié à des particules solides de lithium-brome et de sel de chlorure de lithium entourant une électrode en graphite constituée de couches d’atomes de carbone. Lorsque la batterie se charge, les atomes de brome et de chlore abandonnent leurs partenaires au lithium, ils cèdent des électrons à la cathode et se coincent entre les couches de carbone du graphite, formant ainsi un autre solide bien serré.

La différence de tension entre les deux électrodes entraîne ensuite les ions lithium chargés positivement à travers l’analogue à base d’eau jusqu’à l’anode, où ils rencontrent des électrons fournis par un circuit externe.

Lorsque la batterie se décharge pendant son utilisation, les ions lithium cèdent ces électrons et inversent leur cours vers la cathode. Les électrons reviennent à travers le circuit externe vers la cathode, où les atomes de brome et de chlore les saisissent et se retrouvent avec une charge négative. Cette charge les fait se diffuser en arrière du graphite. Les ions lithium les attrapent reformant des particules de sel solides qui restent en place jusqu’à la prochaine charge.

Une capacité de stockage supérieure d’environ 30%

Wang et ses collègues notent que, gramme par gramme, leurs cathodiques ont déjà une capacité de stockage de charge supérieure d’environ 30% à celle des cathodiques conventionnels. Mais il reste à voir si ces batteries chargées, y compris le nouvel électrolyte, finiront par contenir plus d’énergie que les versions commerciales.

Même s’ils ne le font pas, ces nouvelles batteries WiSE n’auraient pas besoin de cobalt, un métal toxique présent dans les cathodes lithium-ion conventionnelles. L’extraction de cobalt a été liée à la mort de mineurs – souvent des enfants – en République démocratique du Congo, où ce métal rare est relativement abondant. Cela rendrait ces piles plus sûres non seulement pour les consommateurs, mais aussi pour les mineurs et l’environnement.

Source : Science
Crédit photo sur Unsplash : Marten Bjork

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