Les batteries lithium-ion sont connues pour développer des courts-circuits électriques internes qui peuvent enflammer les électrolytes liquides d'une batterie, provoquant des explosions et des incendies. Des ingénieurs de l'Université de l'Illinois ont mis au point un électrolyte solide à base de polymère qui peut s'auto-réparer après un dommage. Le matériau peut également être recyclé sans utiliser de produits chimiques agressifs ou de températures élevées.

La nouvelle étude, qui pourrait aider les fabricants à produire du recyclable, batteries commerciales auto-cicatrisantes, est publié dans le Journal de l'American Chemical Society .

Comme les batteries lithium-ion subissent plusieurs cycles de charge et de décharge, ils se développent minuscules, des structures ramifiées de lithium solide appelées dendrites, les chercheurs ont dit. Ces structures réduisent la durée de vie de la batterie, provoquer des points chauds et des courts-circuits électriques, et parfois devenir assez gros pour percer les parties internes de la batterie, provoquant des réactions chimiques explosives entre les électrodes et les liquides électrolytiques.

Les chimistes et les ingénieurs ont tenté de remplacer les électrolytes liquides des batteries lithium-ion par des matériaux solides tels que la céramique ou les polymères, les chercheurs ont dit. Cependant, bon nombre de ces matériaux sont rigides et cassants, ce qui entraîne un mauvais contact électrolyte-électrode et une conductivité réduite.

"Les polymères conducteurs d'ions solides sont une option pour développer des électrolytes non liquides, " a déclaré Brian Jing, un étudiant diplômé en science et génie des matériaux et co-auteur de l'étude. "Mais les conditions de température élevée à l'intérieur d'une batterie peuvent faire fondre la plupart des polymères, entraînant à nouveau des dendrites et un échec."

Des études antérieures ont produit des électrolytes solides en utilisant un réseau de brins de polymère qui sont réticulés pour former un conducteur de lithium caoutchouteux. Cette méthode retarde la croissance des dendrites; cependant, ces matériaux sont complexes et ne peuvent être récupérés ou cicatrisés après des dommages, dit Jing.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont développé un électrolyte polymère en réseau dans lequel le point de réticulation peut subir des réactions d'échange et échanger des brins de polymère. Contrairement aux polymères linéaires, ces réseaux deviennent en fait plus rigides lors du chauffage, ce qui peut potentiellement minimiser le problème des dendrites, les chercheurs ont dit. En outre, ils peuvent être facilement décomposés et resolidifiés en une structure en réseau après endommagement, les rendre recyclables, et ils restaurent la conductivité après avoir été endommagés car ils s'auto-cicatrisent.

« Ce nouveau polymère de réseau montre également la propriété remarquable que la conductivité et la rigidité augmentent avec le chauffage, ce qui n'est pas vu dans les électrolytes polymères conventionnels, " dit Jing.

"La plupart des polymères nécessitent des acides forts et des températures élevées pour se décomposer, ", a déclaré Christopher Evans, professeur de science et d'ingénierie des matériaux et auteur principal. "Notre matériau se dissout dans l'eau à température ambiante, ce qui en fait un processus très économe en énergie et respectueux de l'environnement."

L'équipe a sondé la conductivité du nouveau matériau et a trouvé son potentiel en tant qu'électrolyte de batterie efficace prometteur, les chercheurs ont dit, mais reconnaissez que plus de travail est nécessaire avant qu'il puisse être utilisé dans des batteries comparables à ce qui est utilisé aujourd'hui.

"Je pense que ce travail présente une plate-forme intéressante pour d'autres à tester, " a déclaré Evans. " Nous avons utilisé une chimie très spécifique et une liaison dynamique très spécifique dans notre polymère, mais nous pensons que cette plate-forme peut être reconfigurée pour être utilisée avec de nombreuses autres chimies pour ajuster la conductivité et les propriétés mécaniques."