Collecteurs de courant tressés pour l'électronique portable

La structure du noyau tressé augmente la densité énergétique des batteries lithium-ion à fibres

05.05.2023 - Chine

Un fil tressé ultrafin au cœur d'une électrode augmente la densité énergétique des batteries lithium-ion, rapporte une équipe de chercheurs dans la revue Angewandte Chemie. Les batteries de ce type pourraient être incorporées dans des textiles fonctionnels et utilisées pour alimenter les smartphones et autres appareils électroniques lorsque nous les portons. La nouvelle structure tressée du collecteur de courant remplace un seul fil continu et améliore le transport des ions à l'intérieur de l'électrode, augmentant ainsi la densité de charge.

Les batteries lithium-ion (LIB) sont omniprésentes dans des appareils allant des smartphones aux voitures électriques. Nous les connaissons comme étant constituées d'un empilement d'électrodes dans un design encombrant ou cylindrique. Une nouvelle variante de batterie réduit la pile aux dimensions d'un fil composé de deux longues fibres d'électrodes enroulées l'une autour de l'autre. Tissées dans du tissu, ces batteries à fibres très légères (FLIB) peuvent alimenter des appareils électroniques portables. Les batteries à fibres ont été classées parmi les dix technologies émergentes en chimie par l'UICPA en 2022.

Toutefois, un problème doit être résolu avant que les batteries à fibres puissent être utilisées pour alimenter des tentes, des vêtements fonctionnels et autres. En effet, la densité énergétique des fibres longues est beaucoup trop faible pour être utile. Huisheng Peng et une équipe de chercheurs de l'université Fudan de Shanghai (Chine) ont découvert qu'une nouvelle conception du collecteur de courant de l'électrode pourrait résoudre ce problème.

L'équipe a décidé de remplacer le collecteur de courant, qui est un fil métallique fin et continu à l'intérieur de l'électrode de graphite, par une tresse composée de plusieurs fils métalliques beaucoup plus fins. Pour fabriquer la tresse, ils ont déroulé plusieurs fils métalliques ultraminces à partir de broches et les ont tressés en un fil central tressé, qui a ensuite été recouvert de graphite sur l'ensemble de l'électrode.

Le nouveau collecteur de courant tressé était tout aussi stable que le fil continu, mais il a permis d'augmenter la densité d'énergie en interagissant avec le graphite. Comme l'explique l'équipe : "La structure tressée conçue conduit à des canaux remplis de matériaux actifs, réduisant l'obstruction au transport des ions lithium et augmentant la capacité de chargement des matériaux actifs." Cette densité énergétique accrue a également été démontrée lors de tests : un textile tissé a été produit, contenant 40 FLIB d'un mètre de long avec des collecteurs de courant tressés. Ce textile à base de FLIB a permis de recharger un smartphone de 30 à 57 %, alors que la conception conventionnelle des FLIB utilisant un fil collecteur de courant continu n'a permis d'atteindre que 52 %.

Cette augmentation de l'efficacité a été obtenue grâce à une modification relativement simple de la conception du collecteur de courant. Ceci est particulièrement important pour les batteries à fibres longues qui doivent être robustes, stables et légères.

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