Les batteries sodium-ion à semi-conducteurs sont bien plus sûres que les batteries lithium-ion conventionnelles, qui présentent un risque d'incendie et d'explosion, mais leur performance a été trop faible pour compenser les avantages de sécurité. Les chercheurs ont rapporté vendredi avoir développé une cathode organique qui améliore considérablement la stabilité et la densité énergétique.

Les performances améliorées, rapporté dans le journal Joule , est liée à deux constatations clés :

• L'interface résistive entre l'électrolyte et la cathode qui se forme couramment pendant le cyclage peut être inversée, prolonger la durée de vie du cycle, et
• La souplesse de la cathode organique lui a permis de maintenir un contact intime à l'interface avec l'électrolyte solide, même lorsque la cathode se dilate et se contracte pendant le cyclage.

Yan Yao, professeur agrégé de génie électrique et informatique à l'Université de Houston et auteur correspondant de l'article, ladite cathode organique - connue sous le nom de PTO, pour le pyrène-4, 5, 9, 10-tétraone—offre des avantages uniques par rapport aux cathodes inorganiques précédentes. Mais il a dit que les principes sous-jacents sont tout aussi importants.

"Nous avons découvert pour la première fois que l'interface résistive qui se forme entre la cathode et l'électrolyte peut être inversée, " Yao a déclaré. " Cela peut contribuer à la stabilité et à une durée de vie plus longue. " Yao est également chercheur principal au Texas Center for Superconductivity à UH. Son groupe de recherche se concentre sur les matériaux organiques verts et durables pour la production et le stockage d'énergie.

Yanliang "Léonard" Liang, professeur adjoint de recherche au département de génie électrique et informatique de l'UH, dit que la réversibilité de l'interface est la clé, permettant à la batterie à semi-conducteurs d'atteindre une densité d'énergie plus élevée sans sacrifier la durée de vie du cycle. Normalement, la capacité d'une batterie à semi-conducteurs à stocker de l'énergie est interrompue lorsque l'interface cathode-électrolyte résistive se forme ; l'inversion de cette résistance permet à la densité d'énergie de rester élevée pendant le cyclisme, il a dit.

Les batteries lithium-ion avec leurs électrolytes liquides sont capables de stocker des quantités d'énergie relativement élevées et sont couramment utilisées pour alimenter les outils de la vie moderne, des téléphones portables aux appareils auditifs. Mais le risque d'incendie et d'explosion a accru l'intérêt pour d'autres types de batteries, et une batterie sodium-ion à semi-conducteurs offre la promesse d'une sécurité accrue à moindre coût.

Xiaowei Chi, chercheur post-doctorant dans le groupe de Yao, a déclaré qu'un défi clé avait été de trouver un électrolyte solide qui soit aussi conducteur que les électrolytes liquides utilisés dans les batteries lithium-ion. Maintenant que des électrolytes solides suffisamment conducteurs sont disponibles, un défi restant a été les interfaces solides.

Un problème soulevé par un électrolyte solide :l'électrolyte a du mal à maintenir un contact intime avec une cathode rigide traditionnelle car cette dernière se dilate et se contracte lors du cyclage de la batterie. Fang Hao, un doctorat étudiant travaillant dans le groupe de Yao, ladite cathode organique est plus souple et donc capable de rester en contact avec l'interface, améliorer la vie à vélo. Les chercheurs ont déclaré que le contact était resté stable pendant au moins 200 cycles.

"Si vous avez un contact fiable entre l'électrode et l'électrolyte, vous aurez de grandes chances de créer une batterie à semi-conducteurs haute performance, " a dit Hao.