Les scientifiques ont fait une percée qui pourrait conduire à des batteries qui se rechargent en une fraction du temps.

La recherche sur les batteries de nouvelle génération implique l’expérimentation continue de matériaux alternatifs susceptibles de débloquer des gains de performance significatifs, et une nouvelle percée offre un exemple convaincant de ce à quoi cela pourrait ressembler. Des scientifiques de l’université de Twente, aux Pays-Bas, ont produit une cellule lithium-ion expérimentale dotée d’une nouvelle conception d’électrode avec une structure cristalline « ouverte et régulière », qui, selon eux, permet une charge dix fois plus rapide que les appareils actuels.

Les batteries lithium-ion qui alimentent les véhicules électriques, les smartphones et d’innombrables autres appareils d’aujourd’hui comportent deux électrodes, la cathode et l’anode, et cette nouvelle étude se concentre sur cette dernière. Actuellement, ces anodes sont fabriquées en graphite, qui leur rend de nombreux services, mais qui est incapable de supporter des taux de charge ultra-rapides sans se dégrader.

Pour trouver des anodes nouvelles et améliorées, les scientifiques s’intéressent notamment aux matériaux présentant des structures poreuses à l’échelle nanométrique. Les anodes de cette nature offrent une plus grande surface de contact avec l’électrolyte liquide qui transporte les ions de lithium, tout en permettant aux ions de se diffuser plus facilement dans le matériau de l’électrode solide, ce qui permet d’obtenir un dispositif qui se charge beaucoup, beaucoup plus rapidement.

Mais les matériaux proposés jusqu’à présent présentent des lacunes. La nature désorganisée et aléatoire des canaux dans la nanostructure poreuse peut provoquer l’effondrement de ces structures pendant la charge, tout en réduisant la densité et la capacité de la batterie, et peut provoquer l’accumulation de lithium sur la surface de l’anode et dégrader ses performances à chaque cycle. En outre, la fabrication de ces matériaux est compliquée, fait appel à des produits chimiques agressifs et produit d’importants déchets chimiques.

Les scientifiques de l’université de Twente pensent avoir trouvé une alternative appropriée dans un matériau appelé niobate de nickel. Contrairement à la nature irrégulière des solutions précédentes, le niobate de nickel présente une structure cristalline « ouverte et régulière » avec des canaux identiques et répétés pour le transport des ions.

Les chercheurs ont intégré cette anode en niobate de nickel dans une cellule de batterie complète et ont testé ses performances. Ils ont constaté qu’elle offrait des taux de charge ultrarapides, dix fois plus rapides que les batteries lithium-ion actuelles. Ils notent également que le niobate de nickel est plus compact que le graphite et présente donc une densité énergétique volumétrique plus élevée, ce qui pourrait déboucher sur des versions commerciales de la cellule plus légères et plus compactes.

Les scientifiques indiquent également que le nouveau matériau de l’anode a une capacité élevée, d’environ 244 mAh g-1, et comme la variation de volume dans le niobate de nickel est minime pendant le fonctionnement, 81 % de sa capacité a été conservée après 20 000 cycles. Tout cela se fait sans endommager le matériau de l’anode, tandis que le processus de fabrication du niobate de nickel serait beaucoup plus simple que celui d’autres matériaux nanostructurés et ne nécessiterait pas de salle blanche pour être mis en place.

Selon les chercheurs, ces résultats démontrent le potentiel de stockage d’énergie des anodes en niobate de nickel dans des dispositifs de batterie pratiques. Ils voient un potentiel immédiat dans les applications de réseau pour alimenter les machines électriques nécessitant une charge rapide, ou dans le transport de véhicules électriques lourds. Toutefois, pour que ces anodes puissent être adaptées aux véhicules électriques standard, il faudra poursuivre les recherches et résoudre les problèmes.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202102972

https://www.utwente.nl/en/news/2021/11/242498/faster-charging-of-batteries-thanks-to-new-material