L'appareil est fabriqué à partir de composants de smartphone standard, qui génèrent des ondes sonores à des fréquences extrêmement élevées, allant de 100 millions à 10 milliards de hertz. Dans les téléphones, ces appareils sont principalement utilisés pour filtrer le signal cellulaire sans fil et pour identifier et filtrer les appels vocaux et les données. Les chercheurs les ont utilisés à la place pour générer un flux dans l'électrolyte de la batterie. Crédit :David Baillot/Université de Californie à San Diego
Des chercheurs de l'Université de Californie à San Diego ont mis au point un dispositif émetteur d'ultrasons qui apporte des piles au lithium métal, ou LMB, un pas de plus vers la viabilité commerciale. Bien que l'équipe de recherche se soit concentrée sur les LMB, l'appareil peut être utilisé dans n'importe quelle batterie, indépendamment de la chimie.
Le dispositif développé par les chercheurs fait partie intégrante de la batterie et fonctionne en émettant des ondes ultrasonores pour créer un courant circulant dans le liquide électrolytique situé entre l'anode et la cathode. Cela empêche la formation de croissances de lithium métal, appelés dendrites, pendant la charge, ce qui entraîne une diminution des performances et des courts-circuits dans les LMB.
L'appareil est fabriqué à partir de composants de smartphone standard, qui génèrent des ondes sonores à des fréquences extrêmement élevées, allant de 100 millions à 10 milliards de hertz. Dans les téléphones, ces appareils sont principalement utilisés pour filtrer le signal cellulaire sans fil et pour identifier et filtrer les appels vocaux et les données. Les chercheurs les ont utilisés à la place pour générer un flux dans l'électrolyte de la batterie.
"Les progrès de la technologie des smartphones sont vraiment ce qui nous a permis d'utiliser les ultrasons pour améliorer la technologie de la batterie, " dit James Friend, professeur de génie mécanique et aérospatial à la Jacobs School of Engineering de l'UC San Diego et auteur correspondant de l'étude.
Actuellement, Les LMB n'ont pas été considérés comme une option viable pour tout alimenter, des véhicules électriques à l'électronique, car leur durée de vie est trop courte. Mais ces batteries ont également deux fois la capacité des meilleures batteries lithium-ion d'aujourd'hui. Par exemple, les véhicules électriques au lithium métal auraient deux fois plus d'autonomie que les véhicules au lithium-ion, pour le même poids de batterie.
Le dispositif développé par les chercheurs fait partie intégrante de la batterie et fonctionne en émettant des ondes ultrasonores pour créer un courant circulant dans le liquide électrolytique situé entre l'anode et la cathode. Cela empêche la formation de croissances de lithium métal, appelés dendrites, pendant la charge, ce qui entraîne une diminution des performances et des courts-circuits dans les LMB. Crédit :David Baillot/Université de Californie à San Diego
Les chercheurs ont montré qu'une batterie au lithium métal équipée de l'appareil pouvait être chargée et déchargée pendant 250 cycles et une batterie au lithium-ion pendant plus de 2000 cycles. Les batteries ont été chargées de zéro à 100 pour cent en 10 minutes pour chaque cycle.
"Ce travail permet des batteries à charge rapide et à haute énergie tout en un, " dit Ping Liu, professeur de nano-ingénierie à la Jacobs School et autre auteur principal de l'article. "C'est excitant et efficace."
L'équipe détaille ses travaux dans le numéro XX de la revue Matériaux avancés .
La plupart des efforts de recherche sur les batteries se concentrent sur la recherche de la chimie parfaite pour développer des batteries qui durent plus longtemps et se chargent plus rapidement, dit Liu. Par contre, l'équipe de l'UC San Diego a cherché à résoudre un problème fondamental :le fait que dans les batteries métalliques traditionnelles, le liquide électrolytique entre la cathode et l'anode est statique. Par conséquent, quand la batterie se charge, l'ion lithium dans l'électrolyte est épuisé, ce qui rend plus probable que le lithium se dépose de manière inégale sur l'anode. Cela provoque à son tour le développement de structures en forme d'aiguilles appelées dendrites qui peuvent se développer sans contrôle de l'anode vers la cathode, provoquant un court-circuit de la batterie et même un incendie. Une charge rapide accélère ce phénomène.
Les chercheurs ont montré qu'une batterie au lithium métal équipée de l'appareil pouvait être chargée et déchargée pendant 250 cycles et une batterie au lithium-ion pendant plus de 2000 cycles. Les batteries ont été chargées de zéro à 100 pour cent en 10 minutes pour chaque cycle. Crédit :David Baillot/Université de Californie à San Diego
En propageant des ondes ultrasonores à travers la batterie, le dispositif provoque l'écoulement de l'électrolyte, reconstituer le lithium dans l'électrolyte et augmenter la probabilité que le lithium se forme de manière uniforme, dépôts denses sur l'anode pendant la charge.
La partie la plus difficile du processus a été la conception de l'appareil, dit An Huang, le premier auteur de l'article et un doctorat. étudiant en science des matériaux à l'UC San Diego. Le défi était de travailler à des échelles extrêmement petites, comprendre les phénomènes physiques impliqués et trouver un moyen efficace d'intégrer l'appareil à l'intérieur de la batterie.
"Notre prochaine étape sera d'intégrer cette technologie dans les batteries lithium-ion commerciales, " dit Haodong Liu, co-auteur de l'article et chercheur postdoctoral en nano-ingénierie à la Jacobs School.
