La conception de la batterie se concentrera sur l'électrode à oxygène (~ 1,2 cm de diamètre et 0,4 mm d'épaisseur). Crédit :Xianglin Li
Marre de devoir brancher votre téléphone tous les soirs ? L'aide est peut-être en route.
De nouvelles recherches à l'Université du Kansas pourraient fournir des batteries plus durables pour la plupart des appareils électroniques grand public et des véhicules électroniques dans les années à venir.
Aujourd'hui, la plupart des Américains possèdent des appareils électroniques alimentés par des batteries lithium-ion rechargeables et certains conduisent des voitures alimentées par la technologie des batteries lithium-ion. Mais les batteries lithium-ion ont des inconvénients, comme la nécessité d'une recharge régulière.
"Tout le monde veut avoir de meilleures batteries pour les téléphones, l'électronique et les voitures, " dit Xianglin Li, professeur adjoint de génie mécanique. « La batterie lithium-ion actuelle, qui est utilisé partout, n'a pas une densité d'énergie suffisante, vous devez recharger votre téléphone tous les jours."
Récemment, Li a gagné un nouveau 219 $, 312, subvention de deux ans de la National Science Foundation pour faire avancer les batteries lithium-oxygène de pointe. Il a déclaré que les batteries lithium-oxygène représentent la plate-forme de batteries la plus prometteuse pour remplacer le lithium-ion.
"La recherche que nous menons sur la batterie lithium-oxygène représente la prochaine génération de stockage d'énergie, " dit-il. " Théoriquement, il a une capacité de stockage d'environ un ordre de grandeur supérieure à celle du lithium-ion. Donc, si vous passez à cela à l'avenir, vous n'aurez besoin de recharger votre téléphone qu'une fois par semaine. Il existe des technologies concurrentes comme les batteries zinc-air ou lithium-soufre, mais le lithium-oxygène est clairement celui avec la capacité la plus élevée, donc il a un grand avantage."
Alors que les batteries lithium-oxygène promettent une capacité de stockage d'énergie bien supérieure, leur défaut est une incapacité à décharger l'énergie aussi rapidement que les batteries lithium-ion. Jusqu'à ce que cet inconvénient soit surmonté, la technologie des batteries lithium-oxygène restera au stade de la recherche en laboratoire, selon l'enquêteur de la KU.
"Le problème est que le lithium-oxygène a une faible densité de courant - il dure longtemps, mais tu n'as pas beaucoup de puissance, " a dit Li. " Si vous utilisez des batteries lithium-oxygène pour une voiture électrique, vous pourriez conduire 500 miles, mais vous ne pouvez pas accélérer très vite. Conduire à quelques kilomètres à l'heure n'est pas très amusant. Pour autant que je sache, presque toutes les batteries lithium-oxygène sont encore en phase de recherche et la technologie n'a pas encore un très grand marché. Performance, la stabilité et la durée de vie sont désormais autant de problèmes pour les batteries lithium-oxygène. Mais dans les années 70 et 80, les batteries lithium-ion ont eu des problèmes similaires."
Nanotomographie d'une électrode de batterie collectée au Argonne National Lab. Différentes couleurs représentent différents matériaux. Crédit :Xianglin Li
Avec sa nouvelle subvention NSF, Li espère développer une technologie pour augmenter la densité de courant des batteries lithium-oxygène afin de les rendre plus pratiques. Il travaillera dans l'installation de tomographie par rayons X de l'Université Carnegie Mellon, collaboration avec Shawn Litster.
"Notre objectif est d'augmenter la puissance de la batterie lithium-oxygène d'un ordre de grandeur tout en ayant la densité d'énergie de pointe, " dit Li.
Li et Litster se concentreront sur la compréhension et l'amélioration du fonctionnement de l'électrode à oxygène de la batterie lithium-oxygène. Li a déclaré que les batteries lithium-oxygène doivent absorber l'oxygène de l'air à travers des pores à l'échelle nanométrique pour faciliter les réactions. Donc, les performances électrochimiques des batteries lithium-oxygène dépendent de l'écoulement diphasique liquide-gaz à l'échelle des pores de l'électrode. Les chercheurs visent à mieux comprendre le transport à l'échelle des pores des électrodes de la batterie en fonction de la taille des pores, structure, connectivité et mouillabilité.
"Shawn Litster de Carnegie Mellon dispose d'un appareil unique pour mesurer les morphologies à l'échelle nanométrique, une technologie qui ressemble à un scanner dans un hôpital, mais avec une très haute résolution jusqu'à la résolution de 20-30 nanomètres, " a déclaré Li. "Nous voulons mesurer les électrodes de la batterie lithium-oxygène et comprendre comment nous pouvons mieux transférer l'oxygène avec une conception améliorée. La batterie doit absorber l'oxygène de l'air, donc si nous ne fournissons pas d'oxygène assez rapidement, la puissance sera limitée. Nous allons utiliser ses installations ainsi que nos modèles et théories avancés pour essayer de concevoir une électrode de batterie hautes performances - et nous espérons avoir un prototype pour la démonstration en laboratoire. »
L'enquête se concentrera sur l'amélioration du transfert de masse lent de l'oxygène dans les électrodes de batterie.
« Les batteries sont des appareils électrochimiques pour lesquels vous souhaitez une vitesse de réaction élevée - et le seul endroit où la réaction peut se produire est l'interface électrode et électrolyte, " a déclaré Li. " Nous devons créer une surface aussi grande que possible en utilisant des nanomatériaux, mais le transfert de masse sera très lent car les nanopores ont une résistance plus élevée. Dans une batterie lithium-oxygène, l'électrolyte est liquide et le transfert de masse à travers le liquide est très lent par rapport à l'air. Un exemple est que vous ne pouvez pas respirer à travers un morceau de papier imbibé d'eau en raison de la haute résistance de l'eau au transfert d'oxygène. C'est le même cas pour un électrolyte liquide, nous voulons donc créer la phase gazeuse dans notre électrode pour faciliter le transfert d'oxygène."
Li a déclaré que le projet avait le potentiel de déboucher sur une technologie brevetée qui pourrait faire avancer la recherche et l'adoption de la technologie lithium-oxygène dans les années à venir. Les chercheurs prévoient de former des partenariats potentiels avec l'industrie locale et d'atteindre le public par le biais de la Kansas City STEM Alliance.
En outre, le travail de subvention soutiendra la formation de deux étudiants diplômés de la KU.
"J'ai actuellement un doctorant qui, je pense, me rejoindra cet été pour venir à la CMU, " a dit Li. " C'est une grande expérience d'entraînement. Il obtiendra son diplôme plus tard cette année et l'année prochaine, il y aura un autre étudiant diplômé. Je formerai donc deux étudiants différents au cours de ce projet."
