Le graphène accélère la charge et prolonge la durée de vie des batteries lithium-ion

MADRID, le 25 novembre (EUROPA PRESS) –

Une nouvelle méthode pour revêtement des cathodes de batterie lithium-ion avec graphène prolonge la durée de vie et les performances de ces piles rechargeables largement utilisées.

Cette découverte pourrait réduire la dépendance au cobaltun élément fréquemment utilisé dans les batteries lithium-ion et difficile à obtenir de manière durable.

David Boyd, chercheur principal à Caltech, a travaillé au cours de la dernière décennie pour développer des techniques de fabrication de graphène, une couche de carbone d’un atome d’épaisseur qui est incroyablement solide et conduit l’électricité plus facilement que des matériaux comme le silicium. En 2015, Boyd et ses collègues ont découvert que du graphène de haute qualité pouvait être produit à température ambiante. Avant cela, la production de graphène nécessitait des températures extrêmement élevées, jusqu’à 1 000 degrés Celsius.

Après cette avancée, la recherche de nouvelles applications pour le graphène a commencé. Récemment, Boyd s’est associé à Will West, technologue au JPL (Jet Propulsion Laboratory), que Caltech gère pour la NASA. West se spécialise dans l’électrochimie et, en particulier, dans le développement de technologies améliorées en matière de batteries. Boyd et West ont cherché à voir si le graphène pouvait créer une batterie lithium-ion améliorée. Maintenant, ils ont prouvé que oui.

« Démontrer une tendance fiable en matière de performances des cellules de batterie nécessite des matériaux cohérents, un assemblage de cellules cohérent et des tests minutieux dans diverses conditions », explique-t-il. dans une déclaration Brent Fultz, professeur de science des matériaux et de physique appliquée à Caltech. “C’est une chance que l’équipe ait pu faire ce travail de manière aussi reproductible, même s’il a fallu un certain temps pour en être sûr.”

La batterie lithium-ion, introduite sur le marché en 1991, a révolutionné la façon dont nous utilisons l’électricité dans notre vie quotidienne. De nos téléphones portables aux véhicules électriques, nous utilisons des batteries lithium-ion comme une source d’alimentation relativement bon marché, économe en énergie et, surtout, rechargeable en déplacement.

Malgré ses succès, la technologie des batteries lithium-ion peut encore être améliorée. Par exemple, Boyd déclare : « Les ingénieurs de Tesla veulent une batterie économique qui peut se charger rapidement et fonctionner plus longtemps entre les charges. “C’est ce qu’on appelle la capacité de vitesse de téléchargement.”

West ajoute : « Plus une batterie peut être chargée de fois au cours de sa durée de vie, moins de batteries devront être utilisées. Ceci est important car les batteries lithium-ion utilisent des ressources limitées et l’élimination des cellules lithium-ion de manière sûre et efficace est une tâche très difficile. tâche.”

Une caractéristique importante des batteries lithium-ion est leur performance après de nombreux cycles de charge et d’utilisation. Les batteries fonctionnent en créant de l’énergie chimique entre les deux extrémités de la batterie (la cathode et l’anode) et en la convertissant en énergie électrique. Comme les produits chimiques de la cathode et de l’anode agissent avec le temps, ils peuvent ne pas retrouver complètement leur état d’origine. Un problème courant est la dissolution des métaux de transition du matériau cathodique, qui est particulièrement grave dans les matériaux cathodiques à forte teneur en manganèse, bien que moins grave dans les matériaux cathodiques à forte teneur en cobalt.

“En raison des réactions secondaires indésirables qui se produisent au cours du cycle, les métaux de transition à la cathode se retrouvent progressivement à l’anode, où ils restent coincés et réduisent les performances de l’anode” explique Boyd. Cette dissolution des métaux de transition (TMD) est l’une des raisons pour lesquelles des cathodes coûteuses contenant du cobalt sont utilisées à la place de cathodes bon marché à haute teneur en manganèse.

Un autre défi pour les batteries lithium-ion est qu’elles nécessitent des métaux coûteux, rares et pas toujours exploités de manière responsable. Une part importante de l’offre mondiale de cobalt, en particulier, est concentrée en République démocratique du Congo, et une grande partie de ce cobalt est extraite par des mineurs dits artisanaux: des travailleurs indépendants, y compris des enfants, qui effectuent des travaux physiques dangereux et exigeants pour peu ou pas de salaire.

Des moyens ont été recherchés pour augmenter les performances des batteries tout en réduisant ou en éliminant l’utilisation du cobalt tout en empêchant le TMD.

Les ingénieurs savaient que les revêtements de carbone sur la cathode d’une batterie lithium-ion pouvaient ralentir ou arrêter le DTM, mais développer une méthode pour appliquer ces revêtements s’est avéré difficile. “Les chercheurs ont tenté de déposer du graphène directement sur le matériau cathodique, mais les conditions de processus normalement nécessaires pour déposer du graphène détruiraient le matériau cathodique“, explique Boyd.

“Nous avons étudié une nouvelle technique de dépôt de graphène sur les particules cathodiques appelée revêtement sec. L’idée est d’avoir une substance “hôte” composée de grosses particules et une substance “invitée” composée de particules minuscules. En les mélangeant dans certaines conditions, le système peut expérimentez un phénomène connu sous le nom de « mélange ordonné », dans lequel les particules invitées recouvrent uniformément les particules hôtes. »

La technologie du revêtement sec est utilisée depuis les années 1970 dans l’industrie pharmaceutique. prolonger la durée de conservation des comprimés en les protégeant de l’humidité, de la lumière et de l’air.

Le revêtement sec de la cathode avec un composé de graphène a réussi en laboratoire. Le revêtement en graphène a considérablement réduit le TMD, doublant simultanément la durée de vie de la batterie et permettant aux batteries de fonctionner sur une plage de températures un peu plus large qu’auparavant. Ce résultat a surpris les chercheurs. On a supposé que seul un revêtement continu pouvait supprimer le TMD et qu’un revêtement sec composé de particules ne pouvait pas le faire. De plus, puisque le graphène est une forme de carbone, Il est largement disponible et respectueux de l’environnement.