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Une équipe internationale de chercheurs dirigée par l’université de Stanford a mis au point des batteries rechargeables capables de stocker jusqu’à six fois plus de charge que celles actuellement disponibles dans le commerce.

Une nouvelle batterie rechargeable

Cette avancée pourrait accélérer l’utilisation des batteries rechargeables et rapproche les chercheurs de la réalisation de deux des principaux objectifs de leur domaine : la création d’une batterie rechargeable haute performance qui permettrait de recharger les téléphones portables une fois par semaine au lieu de tous les jours et les véhicules électriques qui pourraient parcourir six fois plus de distance sans recharge.

Cette nouvelle batterie dite « métal alcalin-chlore », mise au point par une équipe de chercheurs dirigée par Hongjie Dai, professeur de chimie à Stanford, et Guanzhou Zhu, candidat au doctorat, repose sur la conversion chimique en va-et-vient du chlorure de sodium ou de lithium en chlore. Ils ont créé un prototype de pile à pièces de sodium-métal-chlore en guise de preuve de concept.

Lorsque les électrons se déplacent d’un côté à l’autre d’une batterie rechargeable, la recharge ramène la chimie à son état initial en attendant une autre utilisation. Les piles non rechargeables n’ont pas cette chance. Une fois vidées, leur composition chimique ne peut être restaurée. « Une pile rechargeable est un peu comme une chaise à bascule. Elle penche dans une direction, mais se balance à nouveau lorsque vous ajoutez de l’électricité », explique M. Dai. « Ce que nous avons ici, c’est une chaise à bascule à forte inclinaison. »

La raison pour laquelle personne n’avait encore créé de batterie rechargeable sodium-chlore ou lithium-chlore à haute performance est que le chlore est trop réactif et difficile à reconvertir en chlorure avec une grande efficacité. Dans les quelques cas où d’autres ont réussi à atteindre un certain degré de rechargeabilité, les performances de la batterie se sont avérées médiocres.

La chimie s’était stabilisée

Mais dans l’une de leurs premières expériences impliquant du chlore et du chlorure de sodium, les chercheurs de Stanford ont remarqué que la conversion d’un produit chimique en un autre s’était en quelque sorte stabilisée, ce qui permettait une certaine rechargeabilité. « Je ne pensais pas que c’était possible », a déclaré Dai. « Il nous a fallu environ au moins un an pour vraiment réaliser ce qui se passait ».

Au cours des années suivantes, l’équipe a élucidé la chimie réversible et a cherché des moyens de la rendre plus efficace en expérimentant de nombreux matériaux différents pour l’électrode positive de leur batterie. La grande percée s’est produite lorsqu’ils ont formé l’électrode à l’aide d’un matériau de carbone poreux avancé fourni par leurs collaborateurs, le professeur Yuan-Yao Li et son étudiant Hung-Chun Tai, de l’université nationale Chung Cheng de Taïwan.

Ce matériau en carbone a une structure de nanosphère remplie de nombreux pores ultra-minces. En pratique, ces sphères creuses agissent comme une éponge, absorbant d’importantes quantités de molécules de chlore, par ailleurs très sensibles, et les stockant pour les convertir ultérieurement en sel à l’intérieur des micropores.

« La molécule de chlore est piégée et protégée dans les minuscules pores des nanosphères de carbone lorsque la batterie est chargée », explique Zhu. « Ensuite, lorsque la batterie doit être vidée ou déchargée, nous pouvons décharger la batterie et convertir le chlore en NaCl – le sel de table – et répéter ce processus sur de nombreux cycles. Nous pouvons effectuer des cycles jusqu’à 200 fois actuellement et il y a encore de la place pour des améliorations. »

1 200 milliampères-heures par gramme de matériau

Les chercheurs ont jusqu’à présent atteint 1 200 milliampères-heures par gramme de matériau d’électrode positive, alors que la capacité des batteries lithium-ion commerciales actuelles ne dépasse pas 200 milliampères-heures par gramme. « La nôtre a une capacité au moins six fois supérieure », a déclaré M. Zhu.

Les chercheurs imaginent que leurs batteries seront un jour utilisées dans des situations où les recharges fréquentes ne sont pas pratiques ou souhaitables, comme dans les satellites ou les capteurs à distance. De nombreux satellites, par ailleurs utilisables, flottent maintenant en orbite, obsolètes à cause de leurs batteries mortes. Les futurs satellites équipés de batteries rechargeables à longue durée de vie pourraient être dotés de chargeurs solaires, ce qui prolongerait leur durée de vie.

Pour l’instant, le prototype qu’ils ont mis au point pourrait être utilisé dans de petits appareils électroniques de tous les jours, comme les prothèses auditives ou les télécommandes. Pour l’électronique grand public ou les véhicules électriques, il reste encore beaucoup à faire pour concevoir la structure de cette batterie, notamment augmenter la densité d’énergie, faire évoluer les batteries et augmenter le nombre de cycles.

Cette recherche a été publiée dans Nature.

Source : Stanford University
Crédit photo : iStock