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Du graphène pour améliorer les batteries lithium-ion

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Les batteries lithium-ion ont révolutionné le monde de l'électronique portable. Il s'en est fabriqué 12 milliards d'exemplaires dans le monde rien qu'en 2012. Leur capacité de stockage pourrait être améliorée grâce au graphène.

Les étonnantes propriétés quantiques du graphène  Le graphène est un matériau composé d’une seule couche d’atomes de carbone. Il a notamment des propriétés électriques étonnantes. Découvrez en vidéo, grâce à Tout Est Quantique, les secrets du graphène. 

Les nanoparticules et le graphène sont des stars des nanosciences et de la nanotechnologie. Les premières ont des applications depuis un certain temps déjà. Quant au graphène, découvert en 2004, il commence à en connaître également quelques-unes. Un bon exemple, bien que le projet ne soit pas encore au stade industriel et reste pour le moment confiner en laboratoire, concerne les batteries.

Ce n'est pas la première fois que l'on parle d'une augmentation de la capacité de charge des batteries lithium-ion avec du graphène. Dans le cas présent, des chercheurs sud-coréens sont parvenus à multiplier presque par deux les performances des batteries utilisant des anodes en silicium. Ils expliquent leur démarche dans un article publié dans Nature Communications. La clé de ce succès réside dans la fabrication de nanoparticules de silicium (un semi-conducteur) enrobées dans du graphène.

Pour comprendre de quoi il retourne, il faut savoir que, lorsque l'on met en charge une batterie lithium-ion, les ions lithium quittent la cathode pour migrer en direction de l'anode où ils sont absorbés par celle-ci. Lorsque ces batteries se déchargent, l'inverse se produit. Ces phénomènes s'accompagnent malheureusement d'une dilatation puis d'une contraction de l'anode. Répétées plusieurs fois, ces contraintes mécaniques finissent par endommager l'anode, ce qui limite la durée de vie des batteries.

Rachid Yazami, ingénieur et docteur de Grenoble INP, a reçu le prix Draper de la National Academy of Engineering (NAE) en 2014. Ce prix est considéré comme l’équivalent du prix Nobel pour les ingénieurs. Il récompensait son rôle essentiel dans le développement des premières batteries lithium rechargeables il y a 30 ans

Rachid Yazami, ingénieur et docteur de Grenoble INP, a reçu le prix Draper de la National Academy of Engineering (NAE) en 2014. Ce prix est considéré comme l’équivalent du prix Nobel pour les ingénieurs. Il récompensait son rôle essentiel dans le développement des premières batteries lithium rechargeables il y a 30 ans. © Grenoble INP

Une densité d’énergie quasiment doublée grâce au graphène

Physiciens et ingénieurs se sont bien sûr penchés sur ce problème et une première solution a été trouvée, notamment à partir des travaux de Rachid Yazami en 1980 : utiliser des anodes en graphite. Initiés au cours des années 1970, les travaux sur les batteries lithium-ion n'ont abouti à de véritables applications commerciales qu'au début des années 1990. Leur intégration dans bon nombre d'objets de la vie quotidienne tels les téléphones et les ordinateurs portables a bien sûr conduit à trouver les moyens d'augmenter la capacité de charge de ces batteries.

De prime abord, une anode en silicium semble être une solution prometteuse car elle peut absorber dix fois plus d'ions lithium qu'une électrode en graphite. Cependant on retrouve le problème du cycle de dilatation/contraction puisque le silicium voit son volume quadrupler lors d'une mise en charge. Ce problème peut être partiellement résolu si l'on a recours à la nanotechnologie pour fabriquer des anodes constituées de nanoparticules de silicium de 100 nm de diamètre. Sauf que le silicium étant un semi-conducteur, il doit nécessairement être recouvert d'un matériau conducteur qui, lui aussi, doit pouvoir supporter des contraintes mécaniques.

Trouver un excellent conducteur mécaniquement résistant, voilà qui pointe naturellement vers le graphène. Après tout, ce dernier n'est autre que du graphite exfolié en feuillets d'épaisseur atomique. Après avoir trouvé le moyen de synthétiser ces nanoparticules couvertes adéquatement de graphène, des tests ont été effectués qui se sont révélés encourageants.

La capacité de charge des nouvelles batteries a été multipliée par 1,8 et était toujours 1,5 fois supérieure aux anciennes après 200 cycles de charge/décharge.

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Une vue d'artiste montrant la structure 2D en nid d'abeille d'un feuillet de graphène. Le graphite de nos crayons est un empilement de telles structures. © Jannik Meyer