Accélérer la capacité de charge extrêmement rapide des batteries lithium-ion
La charge rapide "extrême", la haute densité d'énergie et la durée de vie sont les caractéristiques du "Saint Graal" que l'industrie automobile recherche dans les batteries.
La société actuelle effectue une transition en masse des combustibles fossiles vers les ressources renouvelables et les batteries électriques. Malgré l'urgence de passer à des méthodes plus écologiques, les principaux défis liés à l'efficacité et à la durabilité constituent un obstacle à surmonter. Par exemple, l'adoption massive par le marché des batteries lithium-ion (Li-ion) utilisées dans les véhicules électriques est entravée par leur lenteur de charge. La charge rapide "extrême" (80% de la batterie est chargée en 10 minutes), la haute densité d'énergie et la durée de vie sont le "Saint Graal" des caractéristiques que l'industrie automobile recherche dans les batteries.
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Afin de permettre la capacité de charge rapide des batteries, les chercheurs tentent depuis longtemps d'améliorer le transfert de masse des électrolytes et le transfert de charge dans les électrodes, avec des recherches approfondies sur le premier point par rapport au second. Aujourd'hui, une étude menée par une équipe de chercheurs, dirigée par le professeur Noriyoshi Matsumi du Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), présente une nouvelle approche pour faciliter la charge rapide en utilisant un matériau liant qui favorise l'intercalation des ions Li-ion dans le matériau actif. Le matériau liant améliore la diffusion des ions Li désolvatés à travers l'interface d'électrolyte solide (SEI) et dans le matériau de l'anode, et permet d'obtenir une conductivité élevée, une faible impédance et une bonne stabilité.
L'équipe était composée de Rajashekar Badam, ancien maître de conférences, Anusha Pradhan, chercheur postdoctoral, Ryoya Miyairi, ancien étudiant diplômé, et Noriyuki Takamori, étudiant en cours de doctorat au JAIST. Leurs résultats ont été publiés dans la revue ACS Materials Letters.
"Notre stratégie actuelle, qui consiste à utiliser un polymère de borate de lithium d'origine biologique comme liant polyélectrolyte aqueux pour améliorer le transfert de charge dans les électrodes telles que les anodes en graphite, présente une capacité de charge rapide", déclarent les auteurs correspondants, les Profs. Matsumi et Badam du JAIST.
Alors que la plupart des recherches sur les batteries se concentrent sur la conception des matériaux actifs et l'amélioration du transfert de masse des électrolytes, l'étude actuelle propose une approche différente via la conception d'un matériau liant spécifique qui favorise l'intercalation des ions lithium dans le matériau actif. "Le matériau liant comprend du borate de lithium hautement dissociable, qui améliore la diffusion des ions lithium dans les matrices anodiques. En outre, ce liant peut former une SEI organoborée, qui présente une résistance interfaciale très faible par rapport aux cellules de batterie ordinaires", explique le professeur Matsumi.
Le rôle des composés du bore (tels que le bore tétracordonné dans le liant et le SEI riche en bore) est de faciliter la désolvatation des ions Li+ en diminuant l'énergie d'activation de la désolvatation du Li+ de la gaine de solvant au SEI. De plus, avec une diffusion élevée et une faible impédance, le surpotentiel lié au transfert de charge à l'interface est réduit. "C'est l'un des facteurs déterminants pour une charge extrêmement rapide", explique le Dr Anusha Pradhan du JAIST, qui est le premier auteur de l'article.
En général, lorsque la charge dépasse la vitesse d'intercalation, un placage de Li se produit sur les électrodes de graphite. Il s'agit d'un processus indésirable qui entraîne une réduction de la durée de vie de la batterie et limite la capacité de charge rapide. Dans cette étude, la diffusion améliorée des ions à travers la SEI et à l'intérieur des électrodes limite la polarisation de la concentration des ions Li+ - ce qui conduit à l'absence de placage sur le graphite.
Dans leur étude, les chercheurs présentent non seulement une nouvelle stratégie pour des batteries rechargeables à très haut débit et une résistance interfaciale réduite, mais ils ont également utilisé un biopolymère dérivé de l'acide caféique. Composé organique d'origine végétale, l'acide caféique est une source de matériau durable et sans danger pour l'environnement. Ainsi, alors que le marché de ces piles connaît une croissance considérable, l'utilisation de ressources biosourcées dans ces piles permettra également de réduire les émissions de dioxyde de carbone.
Soulignant les capacités clés de la structure utilisée dans cette étude, le professeur Matsumi ajoute : "Dans les études futures, notre liant peut également être combiné avec des matériaux actifs chargeables à haut débit pour permettre un effet synergique supplémentaire dans l'amélioration des performances."
Avec l'intensification de la recherche sur les performances des batteries, on peut espérer des options plus écologiques dans notre façon d'utiliser l'énergie, notamment dans le secteur des transports. "Grâce à la technologie des batteries rechargeables à haut débit, les gens pourront profiter de véhicules électriques et d'appareils mobiles pratiques. L'utilisation de ressources renouvelables permettra de maintenir la disponibilité des produits pendant longtemps, indépendamment de la disponibilité des ressources fossiles et de l'influence des situations sociales difficiles", conclut le professeur Matsumi.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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