Comme les batteries lithium-ion qui alimentent la plupart des téléphones, ordinateurs portables, et les véhicules électriques deviennent de plus en plus rapides et performants, ils deviennent également de plus en plus chers et inflammables.

Dans une recherche publiée récemment dans Energy Storage Materials, une équipe d'ingénieurs du Rensselaer Polytechnic Institute a démontré comment ils pouvaient - en utilisant des électrolytes aqueux au lieu des électrolytes organiques typiques - assembler un produit sensiblement plus sûr, batterie économique qui fonctionne toujours bien.

Si vous jetiez un coup d'œil à l'intérieur d'une batterie, vous trouverez deux électrodes, une anode et une cathode. Ces électrodes sont immergées dans un électrolyte liquide qui conduit les ions lorsque la batterie se charge et se décharge.

Les électrolytes aqueux ont été recherchés pour ce rôle en raison de leur nature ininflammable et parce que, contrairement aux électrolytes non aqueux, ils ne sont pas sensibles à l'humidité dans le processus de fabrication, ce qui les rend plus faciles à travailler et moins coûteux. Le plus grand défi avec ce matériau a été de maintenir les performances.

"Si vous appliquez trop de tension à l'eau, il s'électrolyse, ce qui signifie que l'eau se décompose en hydrogène et oxygène, " a déclaré Nikhil Koratkar, un professeur titulaire de la chaire de mécanique, aérospatial, et l'ingénierie nucléaire à Rensselaer. "C'est un problème parce qu'alors vous obtenez un dégazage, et l'électrolyte est consommé. Donc généralement, ce matériau a une fenêtre de tension très limitée."

Dans cette recherche, Koratkar et son équipe, qui comprenait Fudong Han, une chaire dotée de professeur assistant de mécanique, aérospatial, et le génie nucléaire - utilisé un type spécial d'électrolyte aqueux connu sous le nom d'électrolyte eau-dans-sel, qui est moins susceptible de s'électrolyser.

Pour la cathode, les chercheurs ont utilisé de l'oxyde de manganèse de lithium, et pour l'anode, ils ont utilisé de l'oxyde de niobium et de tungstène, un oxyde complexe qui, selon Koratkar, n'avait jamais été exploré dans une batterie aqueuse auparavant.

"Il s'avère que l'oxyde de tungstène niobium est exceptionnel en termes d'énergie stockée par unité de volume, " dit Koratkar. "Volumétriquement, c'était de loin le meilleur résultat que nous ayons vu dans une batterie lithium-ion aqueuse."

L'oxyde de tungstène niobium, il expliqua, est relativement lourd et dense. Ce poids rend son stockage d'énergie basé sur la masse dans la moyenne, mais le tassement dense des particules d'oxyde de tungstène niobium dans l'électrode rend son stockage d'énergie basé sur le volume assez bon. La structure cristalline de ce matériau possède également des canaux ou tunnels bien définis qui permettent aux ions lithium de se diffuser rapidement, ce qui signifie qu'il peut se charger rapidement.

La combinaison d'une capacité de charge rapide et de la capacité de stocker une grande quantité de charge par unité de volume, Koratkar a dit, est rare dans les batteries aqueuses.

Atteindre ce genre de performance, avec un faible coût et une sécurité améliorée, a des implications pratiques. Pour les applications émergentes telles que l'électronique portable, véhicules électriques, et stockage en réseau, la capacité d'emballer la quantité maximale d'énergie dans un volume limité devient critique.