De nouvelles anodes aident le lithium

Cet article fait partie de notre série exclusive IEEE Journal Watch en partenariat avec IEEE Xplore.

Les chercheurs ont créé une nouvelle conception de batterie lithium-ion qui permet une meilleure circulation des électrons à travers son anode, améliorant considérablement la capacité de la batterie et réduisant de moitié le temps nécessaire à la charge. L’avancement est décrit dans une étude publiée le 14 avril dans le IEEE Journal on Flexible Electronics.

Les véhicules électriques sont un moyen clé de réduire les émissions de gaz à effet de serre. Mais les batteries lithium-ion de ces voitures prennent encore un certain temps à se charger, ce qui peut dissuader certaines personnes d’adopter la technologie.

« Il y a un énorme besoin d’innovation en matière de batterie capable d’offrir une capacité de charge rapide avec une durée de vie plus longue de la batterie », explique Himanaga Emani, Ph.D. assistant de recherche au département de génie électrique et informatique de la Western Michigan University et qui a participé à l’étude.

Actuellement, les batteries lithium-ion utilisées dans les véhicules électriques ont des anodes en graphite, mais les chercheurs ont exploré l’utilisation d’autres matériaux, tels que le graphène. Le graphène est composé de fines couches de carbone, qui surpassent le graphite en tant que conducteur d’électricité. Cependant, le simple fait d’utiliser différents matériaux peut ne pas suffire à donner aux batteries le coup de pouce de charge nécessaire.

Les chercheurs ont découvert que le forage des réseaux de pores secondaires (SPN) à l’échelle micrométrique [à gauche] dans l’anode de la batterie améliorait le taux de charge global de la batterie et la rétention de la capacité. Université du Michigan de l’Ouest/IEEE

Par conséquent, Emani et son équipe ont utilisé la structuration laser pour créer un réseau de pores le long de leur nouvelle anode en graphène. Ces minuscules trous permettent aux électrons de circuler plus facilement à travers l’anode, ce qui accélère le temps de charge. Alors que les batteries lithium-ion commerciales d’aujourd’hui avec anodes en graphite ont une capacité théorique de 372 milliampères-heures par gramme, la nouvelle anode en graphène proposée par les chercheurs avec ses pores peut fournir une capacité de plus de 700 mAh / g.

Les chercheurs ont testé leur nouvelle anode dans une série d’expériences avec des temps de charge compris entre 10 minutes et 2 heures à température ambiante. Les résultats montrent que, sur des périodes de charge supérieures à une heure, les nouvelles anodes avec pores n’ont pas eu d’effet significatif sur la capacité de la batterie par rapport à celle des anodes conventionnelles. Mais lorsque les temps de charge étaient inférieurs à une heure, l’anode en graphène avec pores était deux fois plus rapide que les anodes conventionnelles.

« En termes simples, une batterie commerciale qui pourrait prendre une heure à charger pourrait être chargée en moins de 30 minutes, selon nos résultats », explique Emani.

Il est important de noter que les nouvelles batteries conservent leur capacité après une utilisation répétée. En règle générale, les batteries perdent leur capacité lorsqu’elles passent par plusieurs cycles de charge. Dans cette étude, les cellules avec les spores ont montré une rétention de capacité supérieure - près de 90% - par rapport aux cellules sans les pores - à seulement 38% - après 200 cycles de charge.

Cette étude a analysé les nouvelles anodes sous forme de piles boutons à température ambiante, note Emani. « Avant d’entrer sur le marché, nous aimerions tester ces batteries dans des cellules de poche, cylindriques et prismatiques, car ce sont les types de configuration de batterie de base les plus utilisés [utilisés] dans les véhicules électriques. »

L’équipe s’intéresse également à l’étude de ces anodes poreuses à différentes températures. « Il s’agit d’un paramètre clé, car les batteries utilisées dans les véhicules électriques subissent une large gamme de températures en fonction de l’emplacement géographique, de la météo, des saisons, afin d’améliorer encore les performances des batteries dans des conditions difficiles », dit-il.