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Des batteries lithium-ion plus puissantes rechargeables en 10 minutes

En rendant poreuses des nanoparticules de silicium, des scientifiques de l’université de Californie du Sud ont obtenu des batteries lithium-ion rechargeables en dix minutes seulement. Contrairement aux technologies déjà connues, il serait possible de les produire massivement pour un prix raisonnable d’ici deux à trois ans.

En employant des nanoparticules de silicium poreux, la quantité de silicium nécessaire pour l'anode peut être au moins divisée par deux par rapport aux technologies précédentes. Le nombre de cycles est correct (200), mais encore inférieur à ce que permet une batterie classique. © Nano Research

En employant des nanoparticules de silicium poreux, la quantité de silicium nécessaire pour l'anode peut être au moins divisée par deux par rapport aux technologies précédentes. Le nombre de cycles est correct (200), mais encore inférieur à ce que permet une batterie classique. © Nano Research

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Les possesseurs de smartphone le savent : mieux vaut emporter le chargeur avec soi en permanence, tant l’autonomie de ces dispositifs est réduite en usage normal. C’est un vrai problème que l’on retrouve également dans le secteur automobile avec les voitures électriques. Les recherches évoluent et, s’il y a quelques améliorations, ces sauts de puce ne suffisent pas à suivre l’évolution des appareils miniaturisés, de plus en plus puissants et dotés de larges écrans tactiles Full HD.

Pour faire progresser les technologies des batteries, des scientifiques cherchent à employer d’autres matériaux que le fameux lithium, comme le sodium. D'autres se lancent dans l’optimisation des batteries existantes, quand certains laboratoires parient toujours sur l’emploi du lithium, mais combiné avec d’autres matériaux comme le silicium et le graphène. C’est sur cette dernière technologie que des chercheurs de l'université de Californie du Sud (USC) ont travaillé pour concevoir ce qui sera peut-être la batterie du futur. Leurs travaux ont été publiés dans la revue Nano Research.

Des nanoparticules de silicium qui gonflent puis se contractent

Dans leur batterie, l’anode est composée de silicium mélangé à du graphite, et la cathode reste constituée d’oxyde de lithium. Cette technologie prometteuse est déjà connue depuis un moment. L’avantage est certain : avec une anode en graphite, il faut six fois plus d’atomes de carbone sur l’anode pour héberger un ion lithium. Pour le coup, il faut beaucoup d’espace pour augmenter la capacité de la batterie. Le silicium, quant à lui, nécessite deux atomes de moins pour le même résultat. À volume égal, la capacité augmente donc.

Un inconvénient tout de même : contrairement au graphite, le silicium nécessite un traitement spécial. Il a en effet la particularité de gonfler et de se rétracter lors des cycles de la batterie, et finit par casser s’il n’est pas contenu dans une matrice. Pour cela, on place les nanoparticules sur des feuilles perforées en graphène. Bien que les résultats soient excellents, avec une vitesse de charge impressionnante (moins de 15 minutes) et une autonomie multipliée par dix, la production industrielle d’un tel assemblage reste très difficile. De plus, étant donné que les nanoparticules sont extrêmement sollicitées, elles finissent par se briser rapidement.

 

Les nanoparticules de silicium de l’anode subissent un double traitement dans leur fabrication afin de devenir poreuses. Elles sont dopées par de l'acide borique (H3BO3) pour être ensuite microperforées par une solution de nitrate d'argent (AgNO3). © Nano Research

Le professeur Chongwu Zhou, qui dirige les travaux de recherche, vient peut-être de trouver une solution pour rendre la fabrication de ces batteries bon marché avec, en plus, d’autres bénéfices. Il s’est en effet inspiré d’une précédente trouvaille. En mai dernier, son équipe avait mis au point une batterie dont l’anode était constituée de nanotubes de silicium perforés d’une épaisseur de 100 nm pour quelques microns de longueur. Avec ces petits trous, le silicium a pu se dilater et se contracter sans se rompre, tout en obtenant les mêmes performances que la technologie précédente. Le nombre de cycles était même exceptionnel, puisque l’équipe est parvenue à 2.000 charges-décharges, alors qu’une batterie classique équivalente décline au bout de 500 cycles. Seul hic : il est impossible de reproduire massivement cette technologie à un prix abordable.

Nécessité d'améliorer la robustesse des nanoparticules de silicium

En poussant plus loin leurs travaux, les chercheurs sont repartis de cette idée de microperforations et l’ont appliquée directement aux nanoparticules de silicium. Au lieu de constituer des tubes perforés, les scientifiques ont réussi à faire de minuscules trous directement sur des nanobilles de silicium. Celles-ci ont subi un double traitement. Pour renforcer sa conductivité, le silicium est d’abord dopé à l’aide d’acide borique. Ensuite, les nanoparticules sont traitées chimiquement avec du nitrate d’argent pour devenir poreuses. Sur le même principe, le fait que ces nanoparticules soient microperforées facilite les changements de volume lors des cycles. Elles sont alors bien plus robustes, et le nombre de cycles peut augmenter.

Selon les chercheurs, les batteries issues de ce traitement pourraient être rechargées en dix minutes avec une capacité trois fois supérieure aux batteries lithium-ion actuelles. Reste que le nombre de cycles est limité à 200 pour le moment. Un problème que le laboratoire se croit capable de régler facilement en employant un autre matériau pour la cathode.

Actuellement, cette technologie est protégée par un brevet. Confiante, l’équipe pense qu’elle pourrait être commercialement disponible d’ici deux ou trois ans. Elle pourrait alors révolutionner les technologies actuellement employées pour fabriquer les batteries.


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