Des scientifiques ont fait une percée dans le développement de batteries au lithium avancées qui pourraient leur permettre de se charger plus rapidement et d’être moins sujettes aux pannes
L’introduction prudente de nouveaux matériaux dans la conception des batteries lithium-ion actuelles peut améliorer considérablement leurs performances, et les scientifiques viennent de découvrir une possibilité prometteuse dans les nanotubes de carbone. En incorporant ces matériaux dans l’électrode d’une batterie au lithium métal, les chercheurs ont produit une version qui est non seulement plus sûre, mais qui a le potentiel de se charger en une fraction du temps des appareils conventionnels.
Les recherches ont été menées à la faculté d’ingénierie de l’université A&M du Texas et portent sur une architecture de batterie au potentiel énorme. Lorsqu’une batterie lithium-ion traditionnelle se charge et se décharge, les ions lithium sont transportés dans les deux sens entre la cathode et l’anode, cette dernière étant généralement constituée d’un mélange de graphite et de cuivre.
Mais les scientifiques voient une excellente alternative dans l’utilisation de lithium métal pur, qui offre une densité énergétique très élevée et pourrait donner des batteries qui se chargent beaucoup plus rapidement et offrent jusqu’à 10 fois la capacité. Une étude réalisée l’année dernière a décrit une anode de lithium comme « essentielle pour briser le goulot d’étranglement de la densité énergétique de la chimie actuelle des ions lithium ». Il suffit de dire qu’il y a un intérêt considérable à faire fonctionner ces choses.
Cependant, des tentacules appelés dendrites se dressent sur le chemin. Ces structures arborescentes s’accumulent à la surface de l’anode lorsque les ions de lithium ne sont pas déposés de manière uniforme et, au fur et à mesure de leur croissance, elles peuvent percer des composants clés de la batterie et provoquer un court-circuit et/ou un incendie. Si cela ne se produit pas, la batterie perdra rapidement sa charge de toute façon.
De nombreuses recherches sont donc consacrées au problème de la formation des dendrites, et l’équipe de Texas A&M pense avoir trouvé une solution dans les nanotubes de carbone ultralégers et hautement conducteurs. La conception de cette batterie reflète celle d’une autre batterie expérimentale que nous avons examinée en 2018 et qui utilise un mince film de nanotubes de carbone pour étouffer efficacement les dendrites avant qu’elles ne prennent correctement forme, mais les chercheurs à l’origine de cette nouvelle étude ont adopté une approche légèrement différente.
Pour son anode, l’équipe a utilisé des nanotubes de carbone pour construire des échafaudages poreux en trois dimensions, lacés avec des molécules qui font que les ions de lithium se lient à sa surface. Il a fallu faire quelques expériences, mais avec la bonne concentration de ces molécules de liaison, l’équipe a découvert qu’elle avait produit une anode de batterie qui évitait l’accumulation de dendrites à sa surface.
Un diagramme illustrant le fonctionnement d’une nouvelle anode de batterie développée à l’université A&M du Texas
Mais lorsque nous avions juste la bonne quantité de ces molécules de liaison, nous pouvions « dézipper » les échafaudages de nanotubes de carbone à certains endroits seulement, permettant aux ions lithium de passer et de se fixer sur toute la surface des échafaudages plutôt que de s’accumuler sur la surface extérieure de l’anode et de former des dendrites », explique l’auteur de l’étude, Juran Noh.
Une autre conséquence de cette distribution uniforme et sûre des ions de lithium a été une capacité accrue de la batterie à produire des courants plus importants. À tel point que l’équipe rapporte que l’anode peut supporter des courants cinq fois plus élevés que ceux des batteries conventionnelles. Cela ouvre la perspective d’une batterie qui est non seulement plus sûre et avec une plus grande densité d’énergie, mais qui peut être chargée en une fraction du temps.
« Construire des anodes au lithium métal qui sont sûres et ont une longue durée de vie est un défi scientifique depuis de nombreuses décennies », a déclaré Juran Noh. « Les anodes que nous avons développées ont surmonté ces obstacles et constituent une première étape importante vers les applications commerciales des batteries au lithium métal ».
