Les batteries au lithium-ion pourraient un jour être beaucoup plus légères, et transporter beaucoup plus de charge, grâce à une nouvelle conception en sandwich du composant anodique
La recherche de meilleures batteries implique l’exploration de matériaux alternatifs, et l’un de ceux que les scientifiques considèrent comme très prometteurs est le silicium. Une équipe de l’université de Clemson aux Etats-Unis a mis au point un nouveau concept qui surmonte certains des problèmes liés à l’incorporation de ce matériau dans les batteries lithium-ion, ce qui leur permet de faire la démonstration d’un dispositif léger et polyvalent qui pourrait être utilisé pour alimenter les satellites et les combinaisons spatiales.
Les scientifiques étudient depuis longtemps, et avec raison, le potentiel du silicium dans les batteries au lithium-ion. L’utilisation de ce matériau pour l’anode au lieu du graphite utilisé aujourd’hui pourrait multiplier par dix la capacité de stockage de ces dispositifs, mais il reste quelques problèmes à régler d’abord.
Le silicium ne présente pas la même durabilité que le graphite dans ces scénarios, ayant tendance à se dilater, se contracter et se briser en petits morceaux au fur et à mesure que la batterie est chargée et déchargée. Cela entraîne la détérioration de l’anode et la défaillance de la batterie, mais nous avons vu un certain nombre de solutions possibles à ce problème au fil des ans, notamment la transformation du silicium en nanofibres spongieuses ou en minuscules nanosphères avant de les intégrer dans l’appareil.
Les nouvelles recherches de l’université de Clemson visent à renforcer la fiabilité du silicium à l’aide de feuilles de nanotubes de carbone baptisées Buckypaper, que nous avons également vu utilisées dans le développement de la prochaine génération de boucliers thermiques pour les avions. Ces feuilles ont été associées à de minuscules particules de silicium de la taille d’un nanomètre, dans une disposition qui ressemble à un jeu de cartes, les particules de silicium étant prises en sandwich entre chaque couche.
Les minuscules particules de silicium de taille nanométrique sont disposées comme un jeu de cartes, les particules de silicium étant prises en sandwich entre chaque couche.
« Les feuilles de nanotubes de carbone autonomes maintiennent les nanoparticules de silicium connectées électriquement entre elles », explique Shailendra Chiluwal, premier auteur de l’étude. « Ces nanotubes forment une structure quasi tridimensionnelle, maintiennent les nanoparticules de silicium ensemble même après 500 cycles, et atténuent la résistance électrique résultant de la rupture des nanoparticules ».
La beauté de cette approche, selon l’équipe, est que même si la charge et la décharge de la batterie provoque la rupture des particules de silicium, elles restent enfermées à l’intérieur du sandwich et peuvent remplir leur fonction. Cela signifie que, théoriquement, cette batterie fonctionnelle mais expérimentale a une capacité beaucoup plus élevée, ce qui signifie que l’énergie peut être stockée dans des cellules beaucoup plus légères, réduisant ainsi le poids total de l’appareil.
En prime, l’utilisation des nanotubes crée un mécanisme tampon qui permet de charger les batteries à une vitesse quatre fois supérieure à celle des itérations actuelles, selon les scientifiques. Ces batteries légères, à charge rapide et à haute capacité pourraient trouver une multitude d’utilisations, notamment dans les véhicules électriques, mais l’espace est un domaine où l’équipe voit un réel potentiel, une partie du financement du projet provenant de la NASA.
« La plupart des satellites tirent principalement leur énergie du Soleil », explique l’auteur de l’étude, Ramakrishna Podila. « Mais les satellites doivent être capables de stocker de l’énergie pour quand ils sont dans l’ombre de la Terre. Nous devons rendre les batteries aussi légères que possible, car plus le satellite pèse, plus sa mission coûte cher ».
D’autres possibilités incluent des systèmes d’alimentation pour les combinaisons spatiales et les rovers martiens, affirment les chercheurs. Ils travaillent actuellement avec des partenaires industriels en vue de sortir cette technologie du laboratoire et de l’appliquer dans le monde réel.
