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Les batteries des téléphones portables chauffent souvent et peuvent même parfois prendre feu. Dans la plupart des cas, le coupable peut être retracé jusqu’aux batteries au lithium. Bien qu’elles fournissent des courants électriques de longue durée qui peuvent maintenir les appareils sous tension, les piles au lithium peuvent provoquer un court-circuit interne, ce qui chauffe l’appareil.

Une nouvelle conception d’anode

Des chercheurs de l’université Texas A&M ont inventé une technologie qui peut empêcher les piles au lithium de chauffer et de tomber en panne. Leur conception de nanotube de carbone pour la plaque conductrice de la batterie, appelée anode, permet de stocker en toute sécurité une grande quantité d’ions lithium, réduisant ainsi le risque d’explosion. Les chercheurs ont déclaré que leur nouvelle architecture d’anode permettra aux piles au lithium de se charger plus rapidement que les piles actuellement.
« Nous avons conçu la prochaine génération d’anodes pour les batteries au lithium qui sont efficaces pour produire les courants électriques importants et soutenus qui sont nécessaires pour charger rapidement les appareils », a déclaré Juran Noh, étudiant en sciences des matériaux . « De plus, cette nouvelle architecture empêche le lithium de s’accumuler à l’extérieur de l’anode, ce qui, avec le temps, peut provoquer un contact entre le contenu des deux compartiments de la batterie, ce qui est l’une des principales causes d’explosion des appareils ».
Ainsi, la propriété de l’anode, ou du conducteur électrique qui abrite les ions de lithium dans la batterie, joue un rôle décisif dans les propriétés de la batterie. Un matériau d’anode couramment utilisé est le graphite. Dans ces anodes, les ions de lithium sont insérés entre des couches de graphite. Toutefois, M. Noh a déclaré que cette conception limite la quantité d’ions de lithium pouvant être stockés dans l’anode et nécessite plus d’énergie pour extraire les ions du graphite pendant la charge.

Du lithium métal pur contre les dendrites

Ces piles présentent également un problème plus insidieux. Parfois, les ions de lithium ne se déposent pas de manière uniforme sur l’anode. Au lieu de cela, ils s’accumulent à la surface de l’anode en morceaux, formant des structures arborescentes, appelées dendrites. Avec le temps, ces dendrites se développent et finissent par percer le matériau qui sépare les deux compartiments de la batterie. Cette brèche provoque un court-circuit de la batterie et peut mettre le feu à l’appareil. La croissance des dendrites affecte également les performances de la batterie en consommant des ions de lithium, les rendant indisponibles pour la génération d’un courant.
M. Noh a déclaré qu’une autre conception d’anode implique l’utilisation de lithium métal pur au lieu de graphite. Par rapport aux anodes en graphite, celles au lithium métal ont un contenu énergétique par unité de masse ou de densité énergétique beaucoup plus élevé. Mais elles peuvent elles aussi tomber en panne en raison de la formation de dendrites.
Pour résoudre ce problème, Noh et ses coéquipiers ont conçu des anodes utilisant des matériaux légers et hautement conducteurs appelés nanotubes de carbone. Ces échafaudages de nanotubes de carbone contiennent des espaces ou des pores dans lesquels les ions de lithium peuvent pénétrer et se déposer. Cependant, ces structures ne se lient pas aux ions de lithium de manière favorable.

Des anodes en nanotubes de carbone

Ils ont donc fabriqué deux autres anodes en nanotubes de carbone dont la chimie de surface est légèrement différente : l’une est dotée d’une abondance de groupes moléculaires qui peuvent se lier aux ions lithium et l’autre possède les mêmes groupes moléculaires mais en plus petite quantité. Avec ces anodes, ils ont construit des batteries pour tester la tendance à former des dendrites.
Comme prévu, les chercheurs ont découvert que les échafaudages fabriqués uniquement avec des nanotubes de carbone ne se liaient pas bien aux ions de lithium. Par conséquent, il n’y avait pratiquement pas de formation de dendrites, mais la capacité de la batterie à produire de grands courants était également compromise. Cependant, les anodes en nanotubes de carbone avec une quantité optimale de molécules de liaison ont empêché la formation de dendrites.

Des anodes très performantes

De plus, une grande quantité d’ions lithium pouvait se lier et se répandre à la surface de l’échafaudage, ce qui augmentait la capacité de la batterie à produire des courants importants et soutenus. Noh a déclaré que leurs anodes les plus performantes supportent des courants cinq fois plus élevés que les piles au lithium disponibles sur le marché.
Elle a noté que cette caractéristique est particulièrement utile pour les batteries de grande taille, comme celles utilisées dans les voitures électriques, qui nécessitent une charge rapide. « Construire des anodes au lithium métal qui sont sûres et ont une longue durée de vie est un défi scientifique depuis de nombreuses décennies », a déclaré Mme Noh. « Les anodes que nous avons développées ont surmonté ces obstacles et constituent une première étape importante vers les applications commerciales des batteries au lithium métal ».
Cette recherche a été publiée dans Nano Letters.
Source : Texas A&M University
Crédit photo : Pexels

Une nouvelle batterie au lithium qui est plus sûremartinTechnologie
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