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Les chercheurs de l’université de Saint-Pétersbourg ont synthétisé un polymère basé sur le complexe nickel-salen (NiSalen). Les molécules de ce métallo-polymère agissent comme un fil moléculaire auquel sont attachés des pendants nitroxyles à forte intensité énergétique. L’architecture moléculaire du matériau permet d’obtenir des performances de capacité élevées sur une large plage de températures.

Une nouvelle batterie

‘Nous avons eu l’idée du concept de ce matériau en 2016. À cette époque, nous avons commencé à développer un projet fondamental appelé: « matériaux d’électrode pour les batteries lithium-ion à base de polymères organométalliques ». En étudiant le mécanisme de transport de charge dans cette classe de composés, nous avons découvert qu’il y a deux directions-clés de développement. Premièrement, ces composés peuvent être utilisés comme couche protectrice pour recouvrir le câble conducteur principal de la batterie, qui serait autrement constitué de matériaux traditionnels comme pour les batteries lithium-ion. Et deuxièmement, ils peuvent être utilisés comme composant actif des matériaux de stockage d’énergie électrochimique », explique Oleg Levin.
Il a fallu plus de trois ans pour développer ce polymère. Au cours de la première année, les scientifiques ont testé le concept de ce nouveau matériau : ils ont combiné des composants individuels pour simuler le squelette électriquement conducteur et les pendants redox contenant du nitroxyle. Il était essentiel de s’assurer que toutes les parties de la structure fonctionnent conjointement et se renforcent mutuellement. L’étape suivante a été la synthèse chimique du composé. C’était la partie la plus difficile du projet. En effet, certains des composants sont extrêmement sensibles et la moindre erreur peut entraîner la dégradation des échantillons.
Parmi les différents spécimens de polymère obtenus, un seul s’est avéré suffisamment stable et efficace. La chaîne principale du nouveau composé est formée par des complexes de nickel avec des ligands de salen. Un radical libre stable, capable d’oxydation et de réduction rapides (charge et décharge), a été lié à la chaîne principale par des liaisons covalentes.

Elle se charge en quelques secondes

Une batterie fabriquée à partir de notre polymère se chargera en quelques secondes, soit environ dix fois plus vite qu’une batterie lithium-ion traditionnelle. Cela a déjà été démontré par une série d’expériences. Cependant, à ce stade, elle est encore à la traîne en matière de capacité – 30 à 40% inférieure à celle des batteries lithium-ion. Nous travaillons actuellement à améliorer cet indicateur tout en maintenant le taux de charge-décharge », explique Oleg Levin.
La cathode de cette nouvelle batterie a été fabriquée – une électrode positive à utiliser dans les sources de courant chimique. Maintenant, il nous faut l’électrode négative – l’anode. En fait, il n’est pas nécessaire de la créer de toutes pièces – elle peut être choisie parmi celles qui existent déjà. Associées, elles formeront un système qui, dans certains domaines, pourrait bientôt supplanter les batteries lithium-ion.
Cette nouvelle batterie est capable de fonctionner à basse température et sera une excellente option lorsque la charge rapide est cruciale. Elle est sûre à utiliser – il n’y a rien qui puisse poser un risque de combustion, contrairement aux batteries à base de cobalt qui sont répandues aujourd’hui. Elle contient également beaucoup moins de métaux susceptibles de nuire à l’environnement. Le nickel est présent dans notre polymère en petite quantité, mais il est beaucoup moins présent que dans les batteries lithium-ion », explique Oleg Levin.

Augmenter sa capacité énergétique

Donc la prochaine étape pour les chercheurs est d’augmenter sa capacité pour dépasser les 30 à 40 %. Lorsque cela sera fait, elle pourra remplacer les batteries lithium-ion traditionnelles pour tous les appareils qui sont alimentés par des batteries; allant aux smartphones aux voitures électriques.
Cette recherche a été publiée dans Batteries & Supercaps.
Source : St. Petersburg State University
Crédit photo : Pexels