Une équipe de chercheurs en matériaux de Juelich, Munich, et Prague a réussi à produire un matériau composite particulièrement adapté aux électrodes des batteries au lithium. Le matériau nanocomposite pourrait contribuer à augmenter considérablement la capacité de stockage et la durée de vie des batteries ainsi que leur vitesse de charge. Les chercheurs ont publié leurs découvertes dans la revue Matériaux fonctionnels avancés .

Les batteries lithium-ion sont la référence ultime en matière de téléphones portables, tablettes, et voitures électriques. Leur capacité de stockage et leur densité de puissance sont de loin supérieures aux autres systèmes de batteries rechargeables. Malgré les progrès récents, cependant, les batteries des smartphones ne durent qu'une journée et les voitures électriques ont besoin d'heures pour être rechargées. Les scientifiques travaillent donc sur des moyens d'améliorer les densités de puissance et les taux de charge des batteries polyvalentes. "Un facteur important est le matériau de l'anode, " explique Dina Fattakhova-Rohlfing de l'Institut de recherche sur l'énergie et le climat (IEK-1).

"En principe, les anodes à base de dioxyde d'étain peuvent atteindre des capacités spécifiques beaucoup plus élevées, et donc stocker plus d'énergie, que les anodes de carbone actuellement utilisées. Ils ont la capacité d'absorber plus d'ions lithium, " dit Fattakhova-Rohlfing. " Oxyde d'étain pur, cependant, présente une stabilité de cycle très faible - la capacité de stockage des batteries diminue régulièrement et elles ne peuvent être rechargées que quelques fois. Le volume de l'anode change à chaque cycle de charge et de décharge, ce qui le fait s'effondrer."

Les matériaux hybrides ou nanocomposites, des matériaux composites contenant des nanoparticules, constituent un moyen de résoudre ce problème. Les scientifiques ont développé un matériau comprenant des nanoparticules d'oxyde d'étain enrichies en antimoine, sur une couche de base de graphène. La base de graphène contribue à la stabilité structurelle et à la conductivité du matériau. Les particules d'oxyde d'étain mesurent moins de trois nanomètres, c'est-à-dire moins de trois millionièmes de millimètre, et sont directement « cultivées » sur le graphène. La petite taille de la particule et son bon contact avec la couche de graphène améliorent également sa tolérance aux changements de volume :la pile au lithium devient plus stable et dure plus longtemps.

Trois fois plus d'énergie en une heure

"L'enrichissement des nanoparticules avec de l'antimoine garantit que le matériau est extrêmement conducteur, " explique Fattakhova-Rohlfing. " Cela rend l'anode beaucoup plus rapide, ce qui signifie qu'il peut stocker une fois et demie plus d'énergie en une minute seulement qu'avec des anodes en graphite conventionnelles. Il peut même stocker trois fois plus d'énergie pour le temps de charge habituel d'une heure."

"De telles densités d'énergie élevées n'étaient auparavant atteintes qu'avec de faibles taux de charge, " dit Fattakhova-Rohlfing. " Des cycles de charge plus rapides ont toujours conduit à une réduction rapide de la capacité. " Les anodes dopées à l'antimoine développées par les scientifiques, cependant, conservent 77 % de leur capacité d'origine même après 1, 000 cycles.

« Les anodes nanocomposites peuvent être produites de manière simple et économique. Et les concepts appliqués peuvent également être utilisés pour la conception d'autres matériaux d'anode pour les batteries lithium-ion, " explique Fattakhova-Rohlfing. " Nous espérons que notre développement ouvrira la voie à des batteries lithium-ion avec une densité d'énergie considérablement augmentée et un temps de charge très court. "