Les batteries pourraient gagner en puissance grâce à une nouvelle découverte de chercheurs du MIT. Ils ont découvert que l'utilisation de nanotubes de carbone pour l'une des électrodes de la batterie produisait une augmentation significative - jusqu'à dix fois - de la quantité d'énergie qu'il pouvait fournir à partir d'un poids donné de matériau, par rapport à une batterie lithium-ion classique. De telles électrodes pourraient trouver des applications dans de petits appareils portables, et avec des recherches supplémentaires, cela pourrait également conduire à des batteries améliorées pour les plus grandes, applications plus gourmandes en énergie.
Pour produire le nouveau matériau d'électrode puissant, l'équipe a utilisé une méthode de fabrication couche par couche, dans lequel un matériau de base est alternativement plongé dans des solutions contenant des nanotubes de carbone qui ont été traités avec des composés organiques simples qui leur confèrent une charge nette positive ou négative. Lorsque ces couches sont alternées sur une surface, ils se lient étroitement entre eux en raison des charges complémentaires, faire un film stable et durable.
Les résultats, par une équipe dirigée par le professeur agrégé de génie mécanique et de science et ingénierie des matériaux Yang Shao-Horn, en collaboration avec Bayer Chair Professor of Chemical Engineering Paula Hammond, sont rapportés dans un article publié le 20 juin dans la revue Nature Nanotechnologie . Les auteurs principaux sont l'étudiant en génie chimique Seung Woo Lee PhD '10 et le chercheur postdoctoral Naoaki Yabuuchi.
Piles, telles que les batteries lithium-ion largement utilisées dans l'électronique portable, sont constitués de trois éléments de base :deux électrodes (appelées anode, ou électrode négative, et la cathode, ou électrode positive) séparés par un électrolyte, un matériau électriquement conducteur à travers lequel des particules chargées, ou des ions, peut se déplacer facilement. Lorsque ces batteries sont utilisées, les ions lithium chargés positivement traversent l'électrolyte jusqu'à la cathode, produire un courant électrique; quand ils sont rechargés, un courant externe fait que ces ions se déplacent dans le sens inverse, ils s'incrustent donc dans les espaces du matériau poreux de l'anode.
Dans la nouvelle électrode de batterie, les nanotubes de carbone - une forme de carbone pur dans laquelle des feuilles d'atomes de carbone sont enroulées dans de minuscules tubes - « s'auto-assemblent » en une structure étroitement liée qui est poreuse à l'échelle nanométrique (milliardièmes de mètre). En outre, les nanotubes de carbone ont de nombreux groupes oxygène sur leurs surfaces, qui peut stocker un grand nombre d'ions lithium; cela permet pour la première fois aux nanotubes de carbone de servir d'électrode positive dans les batteries au lithium, au lieu de simplement l'électrode négative.
Ce procédé "d'auto-assemblage électrostatique" est important, Hammond explique, parce que normalement les nanotubes de carbone sur une surface ont tendance à s'agglutiner en faisceaux, laissant moins de surfaces exposées pour subir des réactions. En incorporant des molécules organiques sur les nanotubes, ils s'assemblent d'une manière qui " présente un degré de porosité élevé tout en ayant un grand nombre de nanotubes présents, " elle dit.
Les batteries au lithium avec le nouveau matériau démontrent certains des avantages des deux condensateurs, qui peut produire des sorties de puissance très élevées en rafales courtes, et piles au lithium, qui peut fournir une puissance inférieure régulièrement pendant de longues périodes, dit Lee. Le rendement énergétique pour un poids donné de ce nouveau matériau d'électrode s'est avéré cinq fois supérieur à celui des condensateurs conventionnels, et le taux de livraison de puissance totale était 10 fois celui des batteries lithium-ion, dit l'équipe. Cette performance peut être attribuée à une bonne conduction des ions et des électrons dans l'électrode, et un stockage efficace du lithium à la surface des nanotubes.
En plus de leur puissance de sortie élevée, les électrodes en nanotubes de carbone ont montré une très bonne stabilité dans le temps. Après 1, 000 cycles de charge et décharge d'une batterie de test, il n'y avait aucun changement détectable dans la performance du matériau.
Les électrodes produites par l'équipe avaient des épaisseurs allant jusqu'à quelques microns, et les améliorations de la fourniture d'énergie n'ont été observées qu'à des niveaux de puissance élevés. Dans les travaux futurs, l'équipe vise à produire des électrodes plus épaisses et à étendre les performances améliorées aux sorties de faible puissance également, ils disent. Dans sa forme actuelle, le matériau peut avoir des applications pour les petits, appareils électroniques portables, dit Shao-Horn, mais si la capacité de puissance élevée signalée était démontrée sous une forme beaucoup plus épaisse - avec des centaines de microns d'épaisseur plutôt que quelques-uns - elle pourrait éventuellement convenir à d'autres applications telles que les voitures hybrides.
Alors que le matériau de l'électrode a été produit en trempant alternativement un substrat dans deux solutions différentes - un processus relativement long - Hammond suggère que le processus pourrait être modifié en pulvérisant plutôt les couches alternatives sur un ruban de matériau en mouvement, une technique en cours de développement dans son laboratoire. Cela pourrait éventuellement ouvrir la possibilité d'un processus de fabrication continu qui pourrait être étendu à des volumes élevés pour la production commerciale, et pourrait également être utilisé pour produire des électrodes plus épaisses avec une plus grande capacité de puissance. "Il n'y a pas de vraie limite" sur l'épaisseur potentielle, dit Hammond. "La seule limite est le temps qu'il faut pour faire les couches, " et la technique de pulvérisation peut être jusqu'à 100 fois plus rapide que le trempage, elle dit.
Lee dit que si les nanotubes de carbone ont été produits en quantités limitées jusqu'à présent, un certain nombre d'entreprises se préparent actuellement à la production de masse du matériau, ce qui pourrait contribuer à en faire un matériau viable pour la fabrication de batteries à grande échelle.
