Les gens n'en demandent pas trop aux batteries :fournir de l'énergie quand on en a besoin et aussi longtemps qu'on en a besoin, recharger rapidement et ne pas s'enflammer.

Une vague d'incendies de téléphones portables en 2016 a ébranlé la confiance des consommateurs dans les batteries lithium-ion, une technologie qui a contribué à l'avènement de l'électronique portable moderne, mais qui est en proie à des problèmes de sécurité depuis son introduction dans les années 1980. Alors que l'intérêt pour les véhicules électriques augmente, les chercheurs et les initiés de l'industrie recherchent une technologie de batterie rechargeable améliorée qui peut alimenter les voitures de manière sûre et fiable, véhicules autonomes, robotique et autres appareils de nouvelle génération.

La nouvelle recherche Cornell fait progresser la conception de batteries à semi-conducteurs, une technologie intrinsèquement plus sûre et plus énergivore que les batteries lithium-ion actuelles, qui reposent sur des électrolytes liquides inflammables pour le transfert rapide de l'énergie chimique stockée dans les liaisons moléculaires à l'électricité. En partant des électrolytes liquides puis en les transformant en polymères solides à l'intérieur de la cellule électrochimique, les chercheurs tirent parti des propriétés à la fois liquides et solides pour surmonter les principales limitations des conceptions de batteries actuelles.

« Imaginez un verre rempli de glaçons :une partie de la glace entrera en contact avec le verre, mais il y a des lacunes, " a déclaré Qing Zhao, chercheur postdoctoral et auteur principal de l'étude, "Électrolytes polymères à l'état solide avec transport interfacial rapide intégré pour les batteries au lithium secondaires, " publié le 11 mars dans Énergie naturelle .

"Mais si vous remplissez le verre d'eau et le congelez, les interfaces seront entièrement revêtues, et vous établissez un lien fort entre la surface solide du verre et son contenu liquide, " Qing a déclaré. " Ce même concept général dans une batterie facilite des taux élevés de transfert d'ions à travers les surfaces solides d'une électrode de batterie à un électrolyte sans avoir besoin d'un liquide combustible pour fonctionner. "

L'idée clé est l'introduction de molécules spéciales capables d'initier la polymérisation à l'intérieur de la cellule électrochimique, sans compromettre les autres fonctions de la cellule. Si l'électrolyte est un éther cyclique, l'initiateur peut être conçu pour déchirer l'anneau, produisant des brins monomères réactifs qui se lient ensemble pour créer des molécules semblables à de longues chaînes avec essentiellement la même chimie que l'éther. Ce polymère désormais solide conserve les connexions serrées aux interfaces métalliques, un peu comme la glace dans un verre.

Au-delà de leur pertinence pour améliorer la sécurité des batteries, les électrolytes à l'état solide sont également bénéfiques pour permettre aux batteries de nouvelle génération qui utilisent des métaux, dont le lithium et l'aluminium, comme anodes pour obtenir beaucoup plus de stockage d'énergie que ce qui est possible dans la technologie de batterie de pointe d'aujourd'hui. Dans ce contexte, l'électrolyte à l'état solide empêche le métal de former des dendrites, un phénomène qui peut court-circuiter une batterie et entraîner une surchauffe et une panne.

Malgré les avantages perçus des batteries à semi-conducteurs, les tentatives de l'industrie pour les produire à grande échelle ont rencontré des revers. Les coûts de fabrication sont élevés, et les mauvaises propriétés interfaciales des conceptions précédentes présentent des obstacles techniques importants. Un système à semi-conducteurs évite également le besoin de refroidissement de la batterie en offrant une stabilité aux changements thermiques.

"Nos découvertes ouvrent une voie entièrement nouvelle pour créer des batteries à semi-conducteurs pratiques qui peuvent être utilisées dans une gamme d'applications, " a déclaré l'auteur principal Lynden Archer, la James A. Friend Family Distinguished Professor of Engineering à la Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering.

Selon Archer, la nouvelle stratégie in-situ de création d'électrolytes polymères solides est particulièrement intéressante car elle est prometteuse pour prolonger la durée de vie et les capacités de recharge des batteries métalliques rechargeables à haute densité d'énergie.

"Notre approche fonctionne pour la technologie lithium-ion d'aujourd'hui en la rendant plus sûre, mais offre une opportunité pour la future technologie de batterie, " dit Archer.