Les batteries lithium-ion sont la principale source d'alimentation rechargeable pour de nombreux appareils portables ainsi que des véhicules électriques, mais leur utilisation est limitée, car ils ne fournissent pas une puissance de sortie élevée tout en permettant simultanément un stockage d'énergie réversible. Des recherches rapportées dans Examens de physique appliquée vise à offrir une solution en montrant comment l'inclusion de charges conductrices améliore les performances de la batterie.

La conception optimale de la batterie implique des structures d'électrodes épaisses. Cela améliore la densité énergétique, mais la conception souffre d'un mauvais transport lithium-ion, une étape clé dans le fonctionnement de ces électrodes. Diverses techniques d'amélioration ont été essayées, y compris la construction de canaux alignés verticalement ou la création de pores de la taille appropriée pour faciliter le transport des ions lithium.

Une autre approche implique l'utilisation de charges en carbone qui conduisent l'électricité. Cette étude a considéré trois types de charges :les nanotubes de carbone monoparoi (SWCNT), nanofeuillets de graphène, et une substance connue sous le nom de Super P, un type de particules de noir de carbone produites lors de l'oxydation de précurseurs pétroliers. Super P est la charge conductrice la plus couramment utilisée dans les batteries lithium-ion.

Les charges ont été ajoutées à un type de matériau d'électrode connu sous le nom de NCM qui contient du nickel, cobalt, et manganèse. Les chercheurs ont examiné les composites résultants au microscope électronique à balayage. Les particules Super P et NCM se sont avérées être disposées en mode de contact point à point.

Les SWCNT étaient, cependant, enroulé autour des particules de NCM, former un revêtement conducteur. En outre, des réseaux de SWCNT interconnectés ont été observés dans les espaces entre les particules NCM. Les nanofeuillets de graphène étaient également enroulés autour des particules d'électrode NCM, mais pas aussi uniformément que les SWCNT.

Les SWCNT se sont avérés être la meilleure charge conductrice pour les électrodes NCM.

"La conductivité mesurée est cohérente avec la théorie de la percolation... Lorsqu'une charge électriquement conductrice est ajoutée à une matrice isolante, des augmentations significatives de la conductivité se produiront une fois que la première voie conductrice à travers le composite est formée, " dit Guihua Yu, l'un des auteurs.

Étant donné que la percolation nécessite un chemin complet à travers la charge, une quantité suffisante de charge conductrice est nécessaire. Par conséquent, les enquêteurs ont considéré diverses quantités de charge et ont découvert que la combinaison d'électrodes NCM avec aussi peu que 0,16 % en poids de SWCNT produisait une bonne conductivité électrique. Des quantités plus élevées de Super P et de graphène ont été nécessaires pour obtenir ces mêmes résultats.

Les enquêteurs ont utilisé plusieurs techniques spectroscopiques, y compris Raman et spectroscopie d'absorption des rayons X, pour étudier les composites résultants.

"Il s'agit d'un effort de collaboration du Center for Mesoscale Transport Properties, un centre de recherche Energy Frontier soutenu par le programme des sciences de l'énergie de base du département américain de l'énergie. Nos résultats suggèrent que l'intégration des SWCNT dans l'électrode NCM facilite le transfert d'ions et de charges. Cela conduira à une utilisation électrochimique plus élevée, surtout à des débits élevés, " dit Yu.