Batteries lithium-ion conventionnelles, tels que ceux largement utilisés dans les smartphones et les ordinateurs portables, ont atteint les limites de performances. Le chimiste des matériaux Freddy Kleitz de la Faculté de chimie de l'Université de Vienne et des scientifiques internationaux ont développé un nouveau matériau d'anode nanostructuré pour les batteries lithium-ion, ce qui prolonge la capacité et la durée de vie des batteries. Basé sur un oxyde métallique mixte mésoporeux en combinaison avec du graphène, le matériel pourrait fournir une nouvelle approche pour mieux utiliser les batteries dans les gros appareils tels que les véhicules électriques ou hybrides. L'étude a été publiée en couverture du numéro actuel de Matériaux énergétiques avancés .

Densité énergétique élevée, durée de vie prolongée et pas d'effet mémoire :les batteries lithium-ion sont les dispositifs de stockage d'énergie les plus répandus pour les appareils mobiles ainsi que les porteurs d'espoir pour l'électromobilité. Les chercheurs recherchent de nouveaux types de matériaux d'électrode actifs afin de pousser les batteries au prochain niveau de haute performance et de durabilité, et de les rendre plus utilisables pour les gros appareils. "Les matériaux de batterie lithium-ion nanostructurés pourraient fournir une bonne solution, " dit Freddy Kleitz du Département de chimie inorganique - Matériaux fonctionnels de l'Université de Vienne, qui, avec Claudio Gerbaldi, leader du Groupe Matériaux Appliqués et Electrochimie du Politecnico di Torino, Italie, est l'auteur principal de l'étude.

Le nanocomposite 2-D/3-D à base d'oxyde métallique mixte et de graphène, développé par les deux scientifiques et leurs équipes, améliore considérablement les performances électrochimiques des batteries lithium-ion. "Dans nos tests, le nouveau matériau d'électrode a fourni une capacité spécifique considérablement améliorée avec une stabilité de cycle réversible sans précédent sur 3, 000 cycles de charge et de décharge réversibles même à des régimes de courant très élevés jusqu'à 1, 280 milliampères, " dit le chef de département Freddy Kleitz. Les batteries lithium-ion d'aujourd'hui perdent leurs performances après environ 1, 000 cycles de charge.

Nouvelle recette

Des anodes conventionnelles existent souvent en matériau carboné tel que le graphite. "Les oxydes métalliques ont une meilleure capacité de batterie que le graphite, mais ils sont assez instables et moins conducteurs, " explique Kleitz. Les chercheurs ont trouvé un moyen de tirer le meilleur parti des caractéristiques positives des deux composés. Ils ont développé une nouvelle famille de matériaux actifs d'électrode, à base d'oxyde métallique mixte et de graphène hautement conducteur et stabilisant, présentant des caractéristiques supérieures à celles de la plupart des nanostructures et composites d'oxydes de métaux de transition.

Dans un premier temps, basé sur une nouvelle procédure de cuisson, les chercheurs ont pu mélanger le cuivre et le nickel de manière homogène et contrôlée pour obtenir le métal mélangé. Sur la base du nanocasting - une méthode pour produire des matériaux mésoporeux - ils ont créé des particules d'oxydes métalliques mixtes nanoporeuses structurées, qui, en raison de leur vaste réseau de pores, ont une zone de réaction active très élevée pour l'échange avec l'ion lithium de l'électrolyte de la batterie. Les scientifiques ont ensuite appliqué une procédure de séchage par pulvérisation pour envelopper étroitement les particules d'oxyde métallique mélangées avec de fines couches de graphène.

Conception simple et efficace

L'utilisation de batteries lithium-ion pour la mobilité électrique est considérée comme problématique d'un point de vue environnemental, par exemple. en raison de leur production à forte intensité de matières premières. De petites batteries pouvant stocker le plus d'énergie possible, durent aussi longtemps que possible et ne sont pas trop coûteux à fabriquer pourraient faire progresser leur utilisation dans des dispositifs à grande échelle. « Par rapport aux approches existantes, notre stratégie d'ingénierie innovante pour le nouveau matériau d'anode haute performance et durable est simple et efficace. C'est un procédé à base d'eau et donc respectueux de l'environnement et prêt à être appliqué au niveau industriel, " concluent les auteurs de l'étude.