Depuis les téléphones portables, à l'énergie solaire, aux voitures électriques, l'humanité est de plus en plus dépendante des batteries. En tant que demande de coffre-fort, efficace, et le stockage d'énergie puissant continue d'augmenter, il en va de même de l'appel à des alternatives prometteuses aux batteries lithium-ion rechargeables, qui ont été la technologie dominante dans cet espace.

Dans une recherche publiée dans Actes de l'Académie nationale des sciences , des chercheurs du Rensselaer Polytechnic Institute démontrent comment ils peuvent surmonter un défi persistant connu sous le nom de dendrites pour créer une batterie métallique qui fonctionne presque aussi bien qu'une batterie lithium-ion, mais repose sur le potassium, un élément beaucoup plus abondant et moins cher.

Les batteries contiennent deux électrodes :une cathode à une extrémité et une anode à l'autre. Si vous regardez à l'intérieur d'une batterie lithium-ion, vous trouverez généralement une cathode en oxyde de lithium-cobalt et une anode en graphite. Pendant la charge et la décharge, les ions lithium circulent entre ces deux électrodes.

Dans cette configuration, si les chercheurs devaient simplement remplacer l'oxyde de cobalt-lithium par de l'oxyde de cobalt-potassium, les performances chuteraient. Le potassium est un élément plus gros et plus lourd et, donc, moins dense en énergie. Au lieu, l'équipe de Rensselaer a cherché à améliorer les performances du potassium en remplaçant également l'anode en graphite par du potassium métallique.

« En termes de performances, cela pourrait rivaliser avec une batterie lithium-ion traditionnelle, " a déclaré Nikhil Koratkar, un professeur doué de mécanique, aérospatial, et l'ingénierie nucléaire à Rensselaer et l'auteur principal de cet article.

Alors que les batteries métalliques se sont montrées très prometteuses, ils ont aussi traditionnellement été en proie à l'accumulation de gisements de métaux, appelés dendrites, sur l'anode. Des dendrites se forment en raison d'un dépôt non uniforme de potassium métallique lorsque la batterie subit des cycles répétés de charge et de décharge. Heures supplémentaires, Koratkar a expliqué, les conglomérats de potassium métallique deviennent longs et presque ramifiés.

S'ils poussent trop longtemps, ils finiront par percer le séparateur à membrane isolante destiné à empêcher les électrodes de se toucher et de court-circuiter la batterie. La chaleur est créée lorsqu'une batterie court-circuite et peut mettre le feu à l'électrolyte organique de l'appareil.

Dans ce document, Koratkar et son équipe, qui comprenait Prateek Hundekar, doctorant à Rensselaer, et des chercheurs de l'Université du Maryland, dont Chunsheng Wang, un professeur de génie chimique et biomoléculaire - expliquer comment leur solution à ce problème ouvre la voie à une utilisation pratique par les consommateurs. En faisant fonctionner la batterie à un taux de charge et de décharge relativement élevé, ils peuvent augmenter la température à l'intérieur de la batterie de manière bien contrôlée et encourager les dendrites à s'auto-cicatriser de l'anode.

Koratkar compare le processus d'auto-guérison à ce qui arrive à un tas de neige après la fin d'une tempête. Le vent et le soleil aident à déplacer les flocons du monticule de neige, réduire sa taille et éventuellement l'aplatir.

D'une manière similaire, tandis que l'augmentation de la température dans la batterie ne fera pas fondre le potassium métallique, cela aide à activer la diffusion de surface afin que les atomes de potassium se déplacent latéralement du "tas" qu'ils ont créé, lissant efficacement la dendrite.

« Avec cette approche, l'idée est que la nuit ou chaque fois que vous n'utilisez pas la batterie, vous auriez un système de gestion de batterie qui appliquerait cette chaleur locale qui provoquerait l'auto-guérison des dendrites, " a déclaré Koratkar.

Koratkar et son équipe ont précédemment démontré une méthode similaire d'auto-guérison avec des batteries au lithium métal, mais ils ont découvert que la batterie au potassium métallique nécessitait beaucoup moins de chaleur pour terminer le processus d'auto-guérison. Cette découverte prometteuse, Koratkar a dit, signifie qu'une batterie au potassium métallique pourrait être plus efficace, en sécurité, et pratique.

"Je veux voir un changement de paradigme vers les batteries métalliques, " a déclaré Koratkar. " Les batteries métalliques sont le moyen le plus efficace de construire une batterie; cependant, en raison de ce problème de dendrite, ils n'ont pas été réalisables. Avec du potassium, J'ai plus d'espoir."