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La batterie solide, point tournant pour la demande croissante d'énergie

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(par Giovanni Calcerano) Dans notre monde technologique, les batteries sont partout: téléphones, ordinateurs portables, appareils électroménagers mais aussi appareils portables, jouets et applications industrielles. Et pour répondre aux attentes des consommateurs d'aujourd'hui, ces batteries doivent être plus légères, plus puissantes et conçues pour durer plus longtemps. Actuellement la technologie la plus moderne dans ce domaine est celle des batteries lithium-ion, mais cette technologie est coûteuse et implique la présence d'un liquide inflammable, ce qui peut poser un risque pour la sécurité si la batterie est mal utilisée. Pour répondre à la demande croissante des marchés émergents (voitures électriques par exemple et stockage des énergies renouvelables), des chercheurs de l'Empa (Laboratoires fédéraux suisses pour la science et la technologie des matériaux) et de l'Université de Genève (UNIGE), ont conçu un nouveau prototype de batterie, dit «tout solide»: cette batterie a le potentiel de stocker plus d'énergie tout en maintenant des niveaux élevés de sécurité et de fiabilité et est à base de sodium, une alternative économique au lithium.

Pour qu'une batterie fonctionne, elle doit avoir trois composants clés: une anode (pôle négatif), une cathode (pôle positif) et un électrolyte. La plupart des batteries utilisées dans nos équipements électroniques aujourd'hui sont à base d'ions lithium. Au fur et à mesure que la batterie se charge, les ions lithium quittent la cathode et se dirigent vers l'anode. Pour éviter la formation de dendrites de lithium - une sorte de stalagmite microscopique qui peut provoquer des courts-circuits dans la batterie - l'anode des batteries commerciales est en graphite plutôt qu'en lithium métallique, bien que ce métal ultraléger augmenterait la quantité d'énergie pouvant être stockée.

Les chercheurs de l'Empa et de l'UNIGE se sont concentrés sur les avantages d'une batterie «solide» pour faire face à la demande croissante des marchés émergents et pour produire des batteries avec des performances encore meilleures: une charge plus rapide, une plus grande capacité de stockage et une plus grande sécurité. Leur batterie utilise un électrolyte solide au lieu d'un liquide ce qui permet l'utilisation d'une anode métallique bloquant la formation de dendrites, permettant de stocker plus d'énergie tout en assurant la sécurité.

«Mais nous devions encore trouver un conducteur ionique solide approprié qui, en plus d'être non toxique, soit chimiquement et thermiquement stable, et qui permette au sodium de se déplacer facilement entre l'anode et la cathode», explique Hans Hagemann, professeur au Département de chimie. et Physique de la Faculté des Sciences de l'UNIGE. Les chercheurs ont découvert qu'une substance à base de bore, le closoborane, permet aux ions sodium de circuler librement. De plus, comme le closoborane est un conducteur inorganique, il évite le risque d'incendie de la batterie pendant la charge. C'est un matériau, en d'autres termes, aux nombreuses propriétés prometteuses.

«La difficulté était d'établir un contact étroit entre les trois couches de la batterie: l'anode, constituée de sodium métallique solide, la cathode, un oxyde mixte sodium-chrome et l'électrolyte, le closo-borane», explique Léo Duchêne, chercheur à Empa. Les chercheurs ont dissous une partie de l'électrolyte de la batterie dans un solvant avant d'ajouter la poudre d'oxyde de sodium et de chrome. Une fois le solvant évaporé, ils ont empilé le composite de poudre de cathode avec l'électrolyte et l'anode, serrant les différentes couches pour former la batterie.

Des chercheurs de l'Empa et de l'UNIGE ont ensuite testé la batterie. «La stabilité électrochimique de l'électrolyte que nous utilisons ici peut résister à trois volts, alors que de nombreux électrolytes solides précédemment étudiés sont endommagés à la même tension», explique Arndt Remhof, chercheur à l'Empa et chef de projet, qui est soutenu par la Fondation nationale suisse pour Science (SNSF) et le Centre suisse de recherche énergétique sur le stockage de chaleur et d'électricité (SCCER-HaE). Les scientifiques ont testé la batterie pendant plus de 250 cycles de charge et de décharge, après quoi 85% de la capacité énergétique était encore disponible. «Mais il faut 1.200 XNUMX cycles avant que la batterie puisse être mise sur le marché», expliquent les chercheurs. «De plus, nous devons encore analyser le comportement de la batterie à température ambiante afin de pouvoir confirmer si les dendrites se forment ou non, augmentant encore plus la tension. Nos expériences sont toujours en cours. "

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