Les batteries du labo du professeur de l'Illinois Paul Braun ressemblent à toutes les autres, mais ils emballent une surprise à l'intérieur.

Le groupe de Braun a développé une nanostructure tridimensionnelle pour les cathodes de batterie qui permet une charge et une décharge considérablement plus rapides sans sacrifier la capacité de stockage d'énergie. Les résultats des chercheurs seront publiés dans l'édition en ligne anticipée du 20 mars de la revue Nature Nanotechnologie.

Outre l'électronique grand public à charge rapide, des batteries qui peuvent stocker beaucoup d'énergie, le relâcher rapidement et recharger rapidement sont souhaitables pour les véhicules électriques, Équipement médical, lasers et applications militaires.

"Ce système que nous avons vous donne une puissance de type condensateur avec une énergie de type batterie, " dit Braun, professeur de science et d'ingénierie des matériaux. "La plupart des condensateurs stockent très peu d'énergie. Ils peuvent la libérer très rapidement, mais ils ne peuvent pas contenir grand chose. La plupart des batteries stockent une quantité assez importante d'énergie, mais ils ne peuvent pas fournir ou recevoir de l'énergie rapidement. Cela fait les deux."

Les performances des batteries rechargeables lithium-ion (Li-ion) ou nickel métal hydrure (NiMH) se dégradent considérablement lorsqu'elles sont rapidement chargées ou déchargées. Faire du matériau actif de la batterie un film mince permet une charge et une décharge très rapides, mais réduit la capacité à presque zéro car la matière active manque de volume pour stocker l'énergie.

Le groupe de Braun enveloppe un film mince dans une structure tridimensionnelle, atteindre à la fois un volume actif élevé (capacité élevée) et un courant important. Ils ont démontré des électrodes de batterie qui peuvent se charger ou se décharger en quelques secondes, 10 à 100 fois plus rapide que les électrodes massives équivalentes, peut encore fonctionner normalement dans les appareils existants.

Ce type de performances pourrait conduire à des téléphones qui se rechargent en quelques secondes ou à des ordinateurs portables qui se rechargent en quelques minutes, ainsi que des lasers et défibrillateurs haute puissance qui n'ont pas besoin de temps pour s'allumer avant ou entre les impulsions.

Braun est particulièrement optimiste quant au potentiel des batteries dans les véhicules électriques. La durée de vie de la batterie et le temps de recharge sont des limitations majeures des véhicules électriques. Les trajets routiers sur de longues distances peuvent être leur propre forme de conduite avec démarrage et arrêt si la batterie ne dure que 100 miles et nécessite ensuite une heure pour se recharger.

"Si vous aviez la possibilité de charger rapidement, au lieu de prendre des heures pour recharger le véhicule, vous pourriez potentiellement avoir des véhicules qui se rechargeraient dans des délais similaires à ceux nécessaires pour faire le plein d'essence d'une voiture, " a déclaré Braun. " Si vous aviez une capacité de charge de cinq minutes, vous penseriez à cela de la même manière que vous faites un moteur à combustion interne. Il vous suffirait de vous garer à une station de charge et de faire le plein. »

Tous les processus utilisés par le groupe sont également utilisés à grande échelle dans l'industrie, de sorte que la technique pourrait être étendue à la fabrication.

La clé de la nouvelle structure 3-D du groupe est l'auto-assemblage. Ils commencent par revêtir une surface de minuscules sphères, les emballer étroitement ensemble pour former un treillis. Essayer de créer un réseau aussi uniforme par d'autres moyens prend du temps et n'est pas pratique, mais les sphères bon marché s'installent
automatiquement.

Ensuite, les chercheurs remplissent l'espace entre et autour des sphères avec du métal. Les sphères sont fondues ou dissoutes, laissant un échafaudage métallique 3D poreux, comme une éponge. Prochain, un processus appelé électropolissage grave uniformément la surface de l'échafaudage pour agrandir les pores et créer un cadre ouvert. Finalement, les chercheurs enduisent le cadre d'une fine pellicule de matière active.

Le résultat est une structure d'électrode bicontinue avec de petites interconnexions, ainsi les ions lithium peuvent se déplacer rapidement; un matériau actif en couche mince, les cinétiques de diffusion sont donc rapides; et une charpente métallique avec une bonne conductivité électrique.

Le groupe a fait la démonstration de batteries NiMH et Li-ion, mais la structure est générale, ainsi, tout matériau de batterie pouvant être déposé sur le cadre métallique pourrait être utilisé.

"On aime que c'est très universel, donc si quelqu'un propose une meilleure chimie de batterie, ce concept s'applique, " dit Braun, qui est également affilié au Materials Research Laboratory et au Beckman Institute for Advanced Science and Technology de l'Illinois. « Ceci n'est pas lié à un type de batterie très spécifique, mais c'est plutôt un nouveau paradigme dans la réflexion sur une batterie en trois dimensions pour améliorer les propriétés."