Un tout nouveau type de nanomatériau développé au Rensselaer Polytechnic Institute pourrait permettre la prochaine génération de batteries lithium (Li)-ion rechargeables haute puissance pour les automobiles électriques, ainsi que des batteries pour ordinateurs portables, téléphones portables, et autres appareils portables.

Le nouveau matériel, surnommé un "nanoscoop" parce que sa forme ressemble à un cône avec une boule de crème glacée sur le dessus, peut supporter des taux de charge et de décharge extrêmement élevés qui entraîneraient une détérioration et une défaillance rapides des électrodes conventionnelles utilisées dans les batteries Li-ion d'aujourd'hui. Le succès du nanoscoop réside dans sa composition de matériau unique, structure, et la taille.

L'équipe de recherche Rensselaer, dirigé par le professeur Nikhil Koratkar, a démontré comment une électrode nanoscoop pouvait être chargée et déchargée à un rythme 40 à 60 fois plus rapide que les anodes de batterie conventionnelles, tout en conservant une densité énergétique comparable. Cette performance stellaire, qui a été réalisé sur 100 cycles de charge/décharge continus, a l'équipe confiante que leur nouvelle technologie détient un potentiel important pour la conception et la réalisation de haute puissance, batteries rechargeables Li-ion haute capacité.

"Charger mon ordinateur portable ou mon téléphone portable en quelques minutes, plutôt qu'une heure, ça m'a l'air plutôt bien, " dit Koratkar, professeur au Département de mécanique, Aérospatial, et Ingénierie nucléaire à Rensselaer. "En utilisant nos nanoscoops comme architecture d'anode pour les batteries rechargeables Li-ion, c'est une perspective très réelle. De plus, cette technologie pourrait potentiellement être étendue pour répondre aux besoins exigeants des batteries pour automobiles électriques. »

Les batteries des véhicules tout électriques doivent délivrer des densités de puissance élevées en plus des densités d'énergie élevées, dit Koatkar. Ces véhicules utilisent aujourd'hui des supercondensateurs pour effectuer des fonctions gourmandes en énergie, comme le démarrage du véhicule et une accélération rapide, en conjonction avec des batteries conventionnelles qui fournissent une densité d'énergie élevée pour la conduite de croisière normale et d'autres opérations. Koratkar a déclaré que l'invention des nanoscoops pourrait permettre à ces deux systèmes distincts d'être combinés en un seul, unité de batterie plus efficace.

Les résultats de l'étude ont été détaillés dans l'article "Functionally Strain-Graded Nanoscoops for High Power Li-Ion Battery Anodes, " publié jeudi par le journal Lettres nano .

La structure de l'anode d'une batterie Li-ion se développe et se rétrécit physiquement au fur et à mesure que la batterie se charge ou se décharge. Lors de la charge, l'ajout d'ions Li augmente le volume de l'anode, tandis que la décharge a l'effet inverse. Ces changements de volume entraînent une accumulation de contraintes dans l'anode. Un stress trop important qui s'accumule trop vite, comme dans le cas d'une batterie en charge ou en décharge à grande vitesse, peut entraîner une défaillance prématurée de la batterie. C'est pourquoi la plupart des batteries des appareils électroniques portables d'aujourd'hui, tels que les téléphones portables et les ordinateurs portables, se chargent très lentement - le taux de charge lent est intentionnel et conçu pour protéger la batterie des dommages induits par le stress.

Le nanoscoop de l'équipe Rensselaer, cependant, a été conçu pour résister à cette accumulation de stress. Fabriqué à partir d'une base de nanotige de carbone (C) surmontée d'une fine couche d'aluminium nanométrique (Al) et d'une "scoop" de silicium nanométrique (Si), les structures sont flexibles et capables d'accepter et de décharger rapidement des ions Li à des vitesses extrêmement rapides sans subir de dommages importants. La structure segmentée du nanoscoop permet de transférer progressivement la contrainte de la base C à la couche Al, et enfin au scoop Si. Cette gradation de contrainte naturelle permet une transition moins brutale de la contrainte à travers les interfaces du matériau, conduisant à une meilleure intégrité structurelle de l'électrode.

La taille nanométrique de la pelle est également vitale car les nanostructures sont moins sujettes à la fissuration que les matériaux en vrac, selon Koratkar.

"En raison de leur taille nanométrique, nos nanoscoops peuvent absorber et libérer du Li à des taux élevés bien plus efficacement que les anodes macroscopiques utilisées dans les batteries Li-ion d'aujourd'hui, " a-t-il dit. " Cela signifie que notre nanoscoop peut être la solution à un problème critique auquel sont confrontés les constructeurs automobiles et autres fabricants de batteries - comment pouvez-vous augmenter la densité de puissance d'une batterie tout en maintenant la densité d'énergie élevée ? "

Une limitation de l'architecture nanoscoop est la masse totale relativement faible de l'électrode, dit Koratkar. Pour résoudre cela, les prochaines étapes de l'équipe sont d'essayer de faire pousser des boules plus longues avec une plus grande masse, ou développer une méthode pour empiler des couches de nanoscoops les unes sur les autres. Une autre possibilité que l'équipe explore comprend la croissance des nanoscoops sur de grands substrats flexibles qui peuvent être roulés ou façonnés pour s'adapter aux contours ou au châssis de l'automobile.