Des batteries plus sûres, moins chères et plus souples inventées pour la technologie portable
Batterie auto-cicatrisante avec une excellente densité d'énergie, durée de vie, flexibilité et auto-cicatrisation même après dix cycles d'auto-cicatrisation
Des chercheurs ont mis au point une batterie plus sûre, moins chère, plus performante et plus souple pour les dispositifs portables. Un article décrivant la "recette" de leur nouveau type de batterie a été publié dans la revue Nano Research Energy le 3 juin.
Le mécanisme de décharge et de charge de la batterie (en haut), et son mécanisme d'auto-réparation (en bas).
Nano Research Energy, Tsinghua University
Traceurs de forme. Montres intelligentes. Casques de réalité virtuelle. Même les vêtements et les implants intelligents. Les dispositifs intelligents portables sont omniprésents de nos jours. Mais pour plus de confort, de fiabilité et de longévité, ces appareils nécessiteront des niveaux plus élevés de flexibilité et de miniaturisation de leurs mécanismes de stockage d'énergie, qui sont souvent frustrants par leur encombrement, leur poids et leur fragilité. En outre, toute amélioration ne peut se faire au détriment de la sécurité.
C'est pourquoi, ces dernières années, une grande partie de la recherche sur les batteries s'est concentrée sur le développement de dispositifs de stockage d'énergie flexibles "micro", ou MFESD. Différentes structures et bases électrochimiques ont été explorées, et parmi elles, les microbatteries aqueuses offrent de nombreux avantages.
Les batteries aqueuses, qui utilisent une solution à base d'eau comme électrolyte (le milieu qui permet le transport des ions dans la batterie et crée ainsi un circuit électrique), ne sont pas nouvelles. Elles existent depuis la fin du 19e siècle. Cependant, leur densité énergétique - c'est-à-dire la quantité d'énergie contenue dans la batterie par unité de volume - est trop faible pour être utilisée dans des véhicules électriques, par exemple, car elle prendrait trop de place. Les batteries lithium-ion sont bien plus adaptées à ce type d'utilisation.
Par ailleurs, les batteries aqueuses sont beaucoup moins inflammables, et donc plus sûres, que les batteries lithium-ion. Elles sont également beaucoup moins chères. En raison de cette sécurité accrue et de ce faible coût, les options aqueuses ont été de plus en plus explorées comme l'une des meilleures options pour les MFESD. Il s'agit des microbatteries aqueuses, ou simplement AMB.
"Jusqu'à présent, les AMB n'ont malheureusement pas été à la hauteur de leur potentiel", explique Ke Niu, spécialiste des matériaux au Guangxi Key Laboratory of Optical and Electronic Materials and Devices de l'université technologique de Guilin, l'un des principaux chercheurs de l'équipe. "Pour pouvoir être utilisés dans un dispositif portable, ils doivent résister à un certain degré de flexion et de torsion dans le monde réel. Mais la plupart de ceux qui ont été étudiés jusqu'à présent échouent face à de telles contraintes".
Pour remédier à ce problème, les fractures ou les points de défaillance d'un AMB devraient se réparer d'eux-mêmes à la suite d'une telle contrainte. Malheureusement, les AMB auto-cicatrisants qui ont été développés jusqu'à présent ont tendance à dépendre de composés métalliques en tant que porteurs de charge dans le circuit électrique de la batterie. Cela a pour effet secondaire indésirable de provoquer une forte réaction entre les ions du métal et les matériaux dont sont constituées les électrodes (les conducteurs électriques positifs et négatifs de la batterie), ce qui réduit la durée de vie de la batterie. Cette réaction réduit le taux de réaction de la batterie (la vitesse à laquelle les réactions électrochimiques au cœur de toute batterie ont lieu), ce qui limite considérablement les performances.
"Nous avons donc commencé à étudier la possibilité d'utiliser des porteurs de charge non métalliques, qui ne souffriraient pas des mêmes difficultés d'interaction avec les électrodes", a ajouté Junjie Shi, un autre membre éminent de l'équipe et chercheur à l'école de physique et au Center zfor Nanoscale Characterization & Devices (CNCD) de l'université des sciences et technologies de Huazhong, à Wuhan.
L'équipe de recherche a choisi les ions ammonium, dérivés de sels d'ammonium disponibles en abondance, comme porteurs de charge optimaux. Ils sont beaucoup moins corrosifs que les autres options et présentent une large fenêtre de stabilité électrochimique.
"Mais les ions ammonium ne sont pas le seul ingrédient de la recette nécessaire pour que nos batteries se réparent d'elles-mêmes", explique Long Zhang, le troisième membre principal de l'équipe de recherche, également au CNCD.
Pour ce faire, l'équipe a incorporé les sels d'ammonium dans un hydrogel, un matériau polymère capable d'absorber et de retenir une grande quantité d'eau sans perturber sa structure. Cela confère aux hydrogels une flexibilité impressionnante et leur confère précisément le caractère d'auto-guérison dont ils ont besoin. La gélatine est probablement l'hydrogel le plus connu, mais les chercheurs ont ici opté pour un hydrogel d'alcool polyvinylique (PVA) en raison de sa grande résistance et de son faible coût.
Pour optimiser la compatibilité avec l'électrolyte d'ammonium, le carbure de titane - un nanomatériau "2D" ne comportant qu'une seule couche d'atomes - a été choisi comme matériau pour l'anode (l'électrode négative) en raison de son excellente conductivité. Le dioxyde de manganèse, déjà couramment utilisé dans les piles sèches, a été tissé dans une matrice de nanotubes de carbone (toujours pour améliorer la conductivité) pour la cathode (l'électrode positive).
Les tests effectués sur le prototype de la batterie auto-réparatrice ont montré qu'elle présentait une excellente densité d'énergie, une bonne puissance volumique, une bonne durée de vie, une bonne flexibilité et une bonne capacité d'auto-réparation, même après dix cycles d'auto-réparation.
L'équipe souhaite maintenant poursuivre le développement et l'optimisation de son prototype en vue d'une production commerciale.
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
Ke Niu, Junjie Shi, Long Zhang, Yang Yue, Mengjie Wang, Qixiang Zhang, Yanan Ma, Shuyi Mo, Shaofei Li, Wenbiao Li, Li Wen, Yixin Hou, Fei Long, Yihua Gao; "A self-healing aqueous ammonium-ion micro batteries based on PVA-NH 4Cl hydrogel electrolyte and MXene-integrated perylene anode"; Nano Research Energy
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