Il est possible de créer une batterie lithium-ion qui peut se charger en quelques minutes tout en fonctionnant à haute capacité, selon les recherches du Rensselaer Polytechnic Institute qui viennent de paraître dans Communication Nature . Ce développement a le potentiel d'améliorer les performances des batteries pour l'électronique grand public, stockage de grille solaire, et véhicules électriques.

Une batterie lithium-ion se charge et se décharge lorsque les ions lithium se déplacent entre deux électrodes, appelé anode et cathode. Dans une batterie lithium-ion traditionnelle, l'anode est en graphite, tandis que la cathode est composée d'oxyde de cobalt et de lithium.

Ces matériaux fonctionnent bien ensemble, c'est pourquoi les batteries lithium-ion sont devenues de plus en plus populaires, mais les chercheurs de Rensselaer pensent que la fonction peut être encore améliorée.

"Le moyen d'améliorer les batteries est d'améliorer les matériaux utilisés pour les électrodes, " a déclaré Nikhil Koratkar, professeur de mécanique, aérospatial, et l'ingénierie nucléaire chez Rensselaer, et auteur correspondant de l'article. "Ce que nous essayons de faire, c'est de rendre la technologie lithium-ion encore meilleure en termes de performances."

Les recherches approfondies de Koratkar sur les nanotechnologies et le stockage d'énergie l'ont placé parmi les chercheurs les plus cités au monde. Dans ce dernier ouvrage, Koratkar et son équipe ont amélioré leurs performances en remplaçant l'oxyde de cobalt par du disulfure de vanadium (VS 2 ).

"Il vous donne une densité d'énergie plus élevée, parce que c'est léger. Et il vous offre une capacité de charge plus rapide, car il est très conducteur. De ces points de vue, nous avons été attirés par ce matériau, " dit Koratkar, qui est également professeur au Département de science et génie des matériaux.

Excitation autour du potentiel de VS 2 a augmenté ces dernières années, mais jusqu'à maintenant, Koratkar a dit, les chercheurs avaient été mis au défi par son instabilité, une caractéristique qui conduirait à une courte durée de vie de la batterie. Les chercheurs de Rensselaer ont non seulement établi pourquoi cette instabilité se produisait, mais aussi développé un moyen de le combattre.

L'équipe, qui comprenait également Vincent Meunier, chef du département de physique, Physique appliquée, et l'Astronomie, et d'autres, déterminé que l'insertion de lithium provoquait une asymétrie dans l'espacement entre les atomes de vanadium, connue sous le nom de distorsion de Peierls, qui était responsable de l'éclatement du VS 2 flocons. Ils ont découvert que recouvrir les flocons d'un revêtement nanocouche de bisulfure de titane (TiS 2 )—un matériau qui ne déforme pas Peierls—stabiliserait le VS 2 flocons et améliorent leurs performances au sein de la batterie.

"C'était nouveau. Les gens n'avaient pas réalisé que c'était la cause sous-jacente, " dit Koratkar. " Le TiS 2 le revêtement agit comme une couche tampon. Il détient le VS 2 matériel ensemble, fournir un soutien mécanique.

Une fois ce problème résolu, l'équipe a constaté que le VS 2 -TiS 2 les électrodes pourraient fonctionner à une capacité spécifique élevée, ou stocker beaucoup de charge par unité de masse. Koratkar a déclaré que la petite taille et le poids du vanadium et du soufre leur permettent de fournir une capacité et une densité énergétique élevées. Leur petite taille contribuerait également à une batterie compacte.

Lorsque la charge a été effectuée plus rapidement, Koratkar a dit, la capacité n'a pas baissé de manière aussi significative qu'elle le fait souvent avec d'autres électrodes. Les électrodes ont pu maintenir une capacité raisonnable car, contrairement à l'oxyde de cobalt, le VS 2 -TiS 2 le matériau est électriquement conducteur.

Koratkar voit de multiples applications pour cette découverte dans l'amélioration des batteries de voiture, puissance pour l'électronique portable, et le stockage de l'énergie solaire où une grande capacité est importante, mais une vitesse de charge accrue serait également intéressante.