Les chercheurs ont identifié un groupe de matériaux qui pourraient être utilisés pour fabriquer des batteries encore plus puissantes. Les chercheurs, de l'Université de Cambridge, utilisé des matériaux avec une structure cristalline complexe et a constaté que les ions lithium se déplacent à travers eux à des vitesses qui dépassent de loin celles des matériaux d'électrode typiques, ce qui équivaut à une batterie à charge beaucoup plus rapide.

Bien que ces matériaux, appelés oxydes de niobium et de tungstène, n'entraînent pas de densités d'énergie plus élevées lorsqu'elles sont utilisées à des taux de cyclage typiques, ils s'avèrent utiles pour les applications de charge rapide. En outre, leur structure physique et leur comportement chimique donnent aux chercheurs un aperçu précieux de la façon dont un coffre-fort, une batterie de charge ultra-rapide pourrait être construite, et suggèrent que la solution aux batteries de nouvelle génération pourrait provenir de matériaux non conventionnels. Les résultats sont publiés dans le journal La nature .

De nombreuses technologies que nous utilisons chaque jour sont de plus en plus petites, plus rapide et moins cher chaque année, à l'exception notable des batteries. Outre la possibilité d'un smartphone qui pourrait être complètement chargé en quelques minutes, les défis associés à la fabrication d'une meilleure batterie freinent l'adoption généralisée de deux grandes technologies propres :les voitures électriques et le stockage à l'échelle du réseau pour l'énergie solaire.

"Nous sommes toujours à la recherche de matériaux avec des performances de batterie à haut débit, ce qui entraînerait une charge beaucoup plus rapide et pourrait également fournir une puissance de sortie élevée, " a déclaré le Dr Kent Griffith, chercheur postdoctoral au Département de chimie de Cambridge et premier auteur de l'article.

Dans leur forme la plus simple, les batteries sont constituées de trois composants :une électrode positive, une électrode négative et un électrolyte. Lorsqu'une batterie est en charge, les ions lithium sont extraits de l'électrode positive et se déplacent à travers la structure cristalline et l'électrolyte jusqu'à l'électrode négative, où ils sont stockés. Plus ce processus est rapide, plus la batterie peut être chargée rapidement.

A la recherche de nouveaux matériaux d'électrodes, les chercheurs essaient normalement de rendre les particules plus petites. "L'idée est que si vous raccourcissez la distance que les ions lithium doivent parcourir, cela devrait vous donner des performances de taux plus élevées, " a déclaré Griffith. " Mais il est difficile de faire une batterie pratique avec des nanoparticules :vous obtenez beaucoup plus de réactions chimiques indésirables avec l'électrolyte, donc la batterie ne dure pas aussi longtemps, en plus c'est cher à faire."

« Les nanoparticules peuvent être difficiles à fabriquer, c'est pourquoi nous recherchons des matériaux qui possèdent intrinsèquement les propriétés que nous recherchons, même lorsqu'ils sont utilisés sous forme de particules relativement grosses en microns. Cela signifie que vous n'avez pas à passer par un processus compliqué pour les fabriquer, qui maintient les coûts bas, " a déclaré le professeur Clare Grey, également du Département de chimie et auteur principal de l'article. « Les nanoparticules sont également difficiles à travailler sur le plan pratique, car ils ont tendance à être assez « moelleux », il est donc difficile de les emballer étroitement ensemble, qui est la clé de la densité d'énergie volumétrique d'une batterie."

Les oxydes de niobium et de tungstène utilisés dans les travaux en cours ont une structure rigide, structure ouverte qui ne piège pas le lithium inséré, et ont des tailles de particules plus grandes que de nombreux autres matériaux d'électrode. Griffith suppose que la raison pour laquelle ces matériaux n'ont pas reçu d'attention auparavant est liée à leurs arrangements atomiques complexes. Cependant, il suggère que la complexité structurelle et la composition de métaux mixtes sont les raisons mêmes pour lesquelles les matériaux présentent des propriétés de transport uniques.

"De nombreux matériaux de batterie sont basés sur les mêmes deux ou trois structures cristallines, mais ces oxydes de niobium et de tungstène sont fondamentalement différents, " dit Griffith. Les oxydes sont maintenus ouverts par des "piliers" d'oxygène, ce qui permet aux ions lithium de les traverser en trois dimensions. "Les piliers d'oxygène, ou des plans de cisaillement, rendre ces matériaux plus rigides que d'autres composés de batterie, pour que, De plus, leurs structures ouvertes signifient que davantage d'ions lithium peuvent les traverser, et bien plus vite."

En utilisant une technique appelée spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) à gradient de champ pulsé (PFG), qui ne s'applique pas facilement aux matériaux d'électrode de batterie, les chercheurs ont mesuré le mouvement des ions lithium à travers les oxydes, et ont constaté qu'ils se déplaçaient à des vitesses de plusieurs ordres de grandeur supérieures à celles des matériaux d'électrode typiques.

La plupart des électrodes négatives des batteries lithium-ion actuelles sont en graphite, qui a une densité énergétique élevée, mais lorsqu'ils sont facturés à des tarifs élevés, tend à former des fibres filiformes de lithium métallique appelées dendrites, ce qui peut créer un court-circuit et faire prendre feu aux batteries et éventuellement exploser.

"Dans les applications à haut débit, la sécurité est une préoccupation plus importante que dans toute autre circonstance d'exploitation, " dit Grey. " Ces matériaux, et potentiellement d'autres comme eux, vaudrait certainement la peine d'être examiné pour les applications à charge rapide où vous avez besoin d'une alternative plus sûre au graphite."

En plus de leurs taux élevés de transport du lithium, les oxydes de niobium et de tungstène sont également simples à fabriquer. « De nombreuses structures de nanoparticules nécessitent plusieurs étapes pour être synthétisées, et vous ne vous retrouvez qu'avec une toute petite quantité de matière, l'évolutivité est donc un vrai problème, " dit Griffith. " Mais ces oxydes sont si faciles à faire, et ne nécessitent pas de produits chimiques ou de solvants supplémentaires."

Bien que les oxydes aient d'excellents taux de transport du lithium, ils conduisent à une tension de cellule inférieure à celle de certains matériaux d'électrode. Cependant, la tension de fonctionnement est bénéfique pour la sécurité et les taux de transport élevés du lithium signifient que lors d'un cycle rapide, la densité énergétique pratique (utilisable) de ces matériaux reste élevée.

Bien que les oxydes ne conviennent que pour certaines applications, Gray dit que l'important est de continuer à chercher de nouvelles chimies et de nouveaux matériaux. « Les champs stagnent si vous ne cherchez pas de nouveaux composés, " dit-elle. "Ces matériaux intéressants nous donnent un bon aperçu de la façon dont nous pourrions concevoir des matériaux d'électrodes à taux plus élevé."