Le secret des piles plus durables pourrait résider dans la façon dont le savon fonctionne
L'un des électrolytes les plus prometteurs pour la conception de batteries au lithium plus durables présente des nanostructures complexes qui agissent comme les structures de micelles dans l'eau savonneuse
Lorsqu'il s'agit de fabriquer des piles qui durent plus longtemps, une équipe de chercheurs comprenant des ingénieurs de l'université Brown et du laboratoire national de l'Idaho pense que la clé pourrait se trouver dans la manière dont les choses sont nettoyées, et plus précisément dans la manière dont le savon agit dans ce processus.
Prenons l'exemple du lavage des mains. Lorsqu'une personne se lave les mains avec du savon, celui-ci forme des structures appelées micelles qui piègent et éliminent la graisse, la saleté et les germes lorsqu'elles sont rincées avec de l'eau. Le savon y parvient parce qu'il agit comme un pont entre l'eau et ce qui est nettoyé, en les liant et en les enveloppant dans ces structures de micelles.
Dans une nouvelle étude publiée dans Nature Materials, les chercheurs ont remarqué qu'un processus similaire se produit dans ce qui est devenu l'une des substances les plus prometteuses pour la conception de batteries au lithium plus durables - un nouveau type d'électrolyte appelé électrolyte localisé à haute concentration. Cette nouvelle compréhension du fonctionnement de ce processus, affirment-ils dans l'article, pourrait être la pièce manquante pour ouvrir complètement la porte à ce secteur émergent de la technologie.
"Nous voulons améliorer et augmenter la densité énergétique des batteries, c'est-à-dire la quantité d'énergie stockée par cycle et le nombre de cycles que dure la batterie", explique Yue Qi, professeur à la Brown's School of Engineering. "Pour ce faire, les matériaux à l'intérieur des batteries traditionnelles doivent être remplacés pour que les batteries à longue durée de vie qui stockent plus d'énergie deviennent une réalité - pensez à des batteries qui peuvent alimenter un téléphone pendant une semaine ou plus, ou à des véhicules électriques qui parcourent 500 miles".
Les scientifiques travaillent activement à la transition vers des batteries fabriquées à partir de lithium métal, car elles ont une capacité de stockage d'énergie bien supérieure à celle des batteries lithium-ion actuelles. Le problème réside dans les électrolytes traditionnels, qui sont indispensables parce qu'ils permettent à une charge électrique de passer entre les deux bornes d'une batterie, déclenchant la réaction électrochimique nécessaire pour convertir l'énergie chimique stockée en énergie électrique. Les électrolytes traditionnels des batteries lithium-ion, qui sont essentiellement constitués de sels à faible concentration dissous dans un solvant liquide, ne sont pas efficaces dans les batteries à base de métal.
Des électrolytes localisés à forte concentration ont été mis au point par des scientifiques de l'Idaho National Laboratory et du Pacific Northwest National Laboratory pour relever ce défi. Ils sont fabriqués en mélangeant de fortes concentrations de sel dans un solvant avec un autre liquide appelé diluant, qui permet à l'électrolyte de mieux s'écouler, de sorte que la puissance de la batterie peut être maintenue.
Jusqu'à présent, ce nouveau type d'électrolyte a donné des résultats prometteurs lors d'essais en laboratoire, mais son fonctionnement et ses raisons n'ont jamais été entièrement compris, ce qui limite son efficacité et son développement. C'est ce que la nouvelle étude tente d'élucider.
"L'article fournit une théorie unifiée sur les raisons pour lesquelles cet électrolyte fonctionne mieux et la compréhension clé est venue de la découverte que des structures de type micelle se forment dans cet électrolyte, comme c'est le cas avec le savon", a déclaré Bin Li, un scientifique senior de l'Oak Ridge National Laboratory qui a travaillé sur l'étude. "Ici, nous voyons que le rôle du savon ou de l'agent tensioactif est joué par le solvant qui lie à la fois le diluant et le sel, en s'enroulant autour du sel à plus forte concentration au centre de la micelle".
En comprenant cela, les chercheurs ont pu déterminer les rapports et les concentrations nécessaires pour obtenir les réactions optimales pour les piles. Cela devrait permettre de résoudre l'un des principaux problèmes liés à l'élaboration de cet électrolyte, à savoir trouver le bon équilibre entre les trois ingrédients. En fait, ces travaux fournissent non seulement de meilleures lignes directrices pour la fabrication d'électrolytes localisés à forte concentration qui fonctionnent, mais aussi pour la fabrication d'électrolytes qui fonctionnent encore plus efficacement.
Les chercheurs du laboratoire national de l'Idaho ont mis la théorie en pratique. Ce faisant, ils ont constaté que la théorie, jusqu'à présent, tenait la route et contribuait à prolonger la durée de vie des piles au lithium-métal. L'équipe est impatiente de voir quelles conceptions d'électrolytes localisés à haute concentration résulteront de leurs travaux, mais elle sait que des progrès considérables restent à faire pour surmonter le goulot d'étranglement que constitue la conception d'électrolytes pour les batteries à haute densité. Pour l'heure, ils s'amusent du fait que le secret se trouve peut-être dans un produit aussi banal et quotidien que le savon.
"Le concept de micelle est peut-être nouveau pour l'électrolyte, mais il est en fait très courant dans notre vie quotidienne", a déclaré M. Qi. "Nous disposons désormais d'une théorie et de lignes directrices pour obtenir les interactions souhaitées à partir du sel, du solvant et du diluant dans l'électrolyte, ainsi que la concentration à laquelle ils doivent se trouver et la manière dont ils doivent être mélangés.
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.
Publication originale
Corey M. Efaw, Qisheng Wu, Ningshengjie Gao, Yugang Zhang, Haoyu Zhu, Kevin Gering, Michael F. Hurley, Hui Xiong, Enyuan Hu, Xia Cao, Wu Xu, Ji-Guang Zhang, Eric J. Dufek, Jie Xiao, Xiao-Qing Yang, Jun Liu, Yue Qi, Bin Li; "Localized high-concentration electrolytes get more localized through micelle-like structures"; Nature Materials, 2023-11-6
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