Les scientifiques ont utilisé les nanofibrilles de cellulose présentes dans le bois comme base d’un nouvel électrolyte de batterie.
Les batteries au lithium d’aujourd’hui utilisent généralement un électrolyte liquide pour transporter les ions entre les deux électrodes, mais les scientifiques qui s’intéressent aux alternatives solides voient des possibilités intéressantes. Parmi eux, les auteurs d’une nouvelle étude ont utilisé la cellulose dérivée du bois comme base de l’un de ces électrolytes solides, qui est mince comme du papier et peut se plier et s’infléchir pour absorber les contraintes lors des cycles de la batterie.
L’un des inconvénients des électrolytes utilisés dans les batteries au lithium actuelles est qu’ils contiennent des liquides volatils qui présentent un risque d’incendie en cas de court-circuit de l’appareil et peuvent favoriser la formation de tentacules appelés dendrites qui compromettent les performances. Les électrolytes solides, quant à eux, peuvent être fabriqués à partir de matériaux ininflammables, rendent le dispositif moins sujet à la formation de dendrites et pourraient ouvrir des possibilités entièrement nouvelles en matière d’architecture de batterie.
L’une de ces possibilités concerne l’anode, l’une des deux électrodes, qui, dans les batteries actuelles, est constituée d’un mélange de graphite et de cuivre. Certains scientifiques considèrent les électrolytes solides comme un tremplin essentiel pour faire fonctionner les batteries avec une anode faite de lithium métal pur, ce qui pourrait contribuer à éliminer le goulot d’étranglement de la densité énergétique et permettre aux voitures et aux avions électriques de parcourir de plus grandes distances sans être rechargés.
La plupart des électrolytes solides mis au point jusqu’à présent étaient fabriqués à partir de matériaux céramiques, très efficaces pour conduire les ions, mais qui ne résistent pas aussi bien aux contraintes de charge et de décharge en raison de leur fragilité. Les scientifiques de l’université de Brown et de l’université du Maryland ont cherché une alternative à cette situation et ont utilisé les nanofibrilles de cellulose présentes dans le bois comme point de départ.
Ces tubes polymères dérivés du bois ont été combinés avec du cuivre pour former un conducteur d’ions solide présentant une conductivité similaire à celle de la céramique et entre 10 et 100 fois supérieure à celle des autres conducteurs d’ions polymères. Selon l’équipe, cela s’explique par le fait que l’ajout de cuivre crée de l’espace entre les chaînes de polymères de cellulose pour la formation de « superautoroutes ioniques », permettant aux ions de lithium de se déplacer avec une efficacité record.
« En incorporant du cuivre à des nanofibrilles de cellulose unidimensionnelles, nous avons démontré que la cellulose, normalement isolée des ions, offre un transport plus rapide des ions lithium au sein des chaînes polymères », a déclaré l’auteur de l’étude, Liangbing Hu. « En fait, nous avons constaté que ce conducteur ionique a atteint une conductivité ionique record parmi tous les électrolytes polymères solides. »
Et comme le matériau est mince comme du papier et flexible, les scientifiques pensent qu’il supportera mieux les contraintes liées au cycle des batteries. Ils affirment également qu’il possède la stabilité électrochimique nécessaire pour accueillir une anode en lithium-métal et des cathodes à haute tension, ou qu’il pourrait servir de matériau liant pour encastrer des cathodes ultra-épaisses dans des batteries à haute densité.
« Les ions de lithium se déplacent dans cet électrolyte solide organique par des mécanismes que l’on trouve généralement dans les céramiques inorganiques, ce qui permet d’atteindre une conductivité ionique record », explique Yue Qi, auteur de l’étude. « L’utilisation de matériaux fournis par la nature permettra de réduire l’impact global de la fabrication des batteries sur notre environnement. »
