Par rapport aux supercondensateurs et aux batteries, Les SMC (avec trois épaisseurs d'électrodes différentes illustrées) offrent à la fois une densité de puissance élevée et une densité d'énergie élevée. Droit d'auteur de l'image :Jang, et al. ©2011 Société chimique américaine
(PhysOrg.com) -- Il a toutes les apparences d'une percée dans la technologie des batteries, sauf que ce n'est pas une batterie. Les chercheurs de Nanotek Instruments, Inc., et sa filiale Angstron Materials, Inc., à Dayton, Ohio, ont développé un nouveau paradigme pour la conception de dispositifs de stockage d'énergie basé sur la navette rapide d'un grand nombre d'ions lithium entre des électrodes avec des surfaces massives de graphène. Le dispositif de stockage d'énergie pourrait s'avérer extrêmement utile pour les véhicules électriques, où il pourrait réduire le temps de recharge de quelques heures à moins d'une minute. D'autres applications pourraient inclure le stockage d'énergie renouvelable (par exemple, stockage de l'énergie solaire et éolienne) et des réseaux intelligents.
Les chercheurs appellent les nouveaux appareils « cellules échangeuses d'ions lithium à surface de graphène, " ou plus simplement, « cellules à médiation de surface » (SMC). Bien que les appareils utilisent actuellement des matériaux et des configurations non optimisés, ils peuvent déjà surpasser les batteries Li-ion et les supercondensateurs. Les nouveaux appareils peuvent fournir une densité de puissance de 100 kW/kgcell, ce qui est 100 fois supérieur à celui des batteries Li-ion commerciales et 10 fois supérieur à celui des supercondensateurs. Plus la densité de puissance est élevée, plus le taux de transfert d'énergie est rapide (entraînant un temps de recharge plus rapide). En outre, les nouvelles cellules peuvent stocker une densité d'énergie de 160 Wh/kgcell, ce qui est comparable aux batteries Li-ion commerciales et 30 fois supérieur à celui des supercondensateurs conventionnels. Plus la densité d'énergie est élevée, plus l'appareil peut stocker d'énergie pour le même volume (d'où une autonomie plus longue pour les véhicules électriques).
« Avec le même poids de l'appareil, la batterie SMC et Li-ion actuelle peut fournir à un véhicule électrique (EV) une autonomie comparable, » Bor Z. Jang, co-fondateur de Nanotek Instruments et Angstron Materials, Raconté PhysOrg.com . « Nos SMC, tout comme les batteries Li-ion actuelles, peut être encore amélioré en termes de densité d'énergie [et donc de portée]. Cependant, en principe, le SMC se recharge en quelques minutes (éventuellement moins d'une minute), par opposition aux heures pour les batteries Li-ion utilisées dans les véhicules électriques actuels.
Jang et ses coauteurs chez Nanotek Instruments et Angstron Materials ont publié l'étude sur les dispositifs de stockage d'énergie de nouvelle génération dans un récent numéro de Lettres nano . Les deux sociétés sont spécialisées dans la commercialisation de nanomatériaux, Angstron étant le plus grand producteur mondial de nanoplaquettes de graphène (NGP).
Comme l'expliquent les chercheurs dans leur étude, les batteries et les supercondensateurs ont chacun leurs forces et leurs faiblesses respectives en matière de stockage d'énergie. Alors que les batteries Li-ion fournissent une densité d'énergie beaucoup plus élevée (120-150 Wh/kg
« Le développement de cette nouvelle classe de dispositifs de stockage d'énergie comble l'écart de performance entre une batterie Li-ion et un supercondensateur, », a déclaré Jang. « Plus important encore, ce cadre fondamentalement nouveau pour la construction de dispositifs de stockage d'énergie pourrait permettre aux chercheurs d'atteindre à la fois une densité d'énergie élevée et une densité de puissance élevée sans avoir à sacrifier l'un pour atteindre l'autre.
Les grandes surfaces des électrodes des SMC permettent une navette rapide d'un grand nombre d'ions entre les électrodes, résultant en un temps de recharge rapide. Droit d'auteur de l'image :Jang, et al. ©2011 Société chimique américaine
La clé des performances des SMC est une cathode et une anode qui contiennent de très grandes surfaces de graphène. Lors de la fabrication de la cellule, les chercheurs ont mis du lithium métal (sous forme de particules ou de feuille) à l'anode. Au cours du premier cycle de décharge, le lithium est ionisé, résultant en un nombre beaucoup plus important d'ions lithium que dans les batteries Li-ion. Comme la batterie est utilisée, les ions migrent à travers un électrolyte liquide jusqu'à la cathode, où les ions pénètrent dans les pores et atteignent la grande surface de graphène à l'intérieur de la cathode. Lors de la recharge, un flux massif d'ions lithium migre rapidement de la cathode vers l'anode. Les grandes surfaces des électrodes permettent la navette rapide d'un grand nombre d'ions entre les électrodes, ce qui se traduit par leurs hautes densités de puissance et d'énergie.
Comme l'expliquent les chercheurs, l'échange d'ions lithium entre les surfaces poreuses des électrodes (et non dans la masse de l'électrode, comme dans les batteries) élimine complètement le besoin du processus fastidieux d'intercalation. Dans ce processus, les ions lithium doivent être insérés à l'intérieur des électrodes, qui domine le temps de charge des batteries.
Bien que dans cette étude les chercheurs aient préparé différents types de graphène (oxydé, et monocouche et multicouche réduits) à partir d'une variété de différents types de graphite, une analyse plus approfondie des matériaux et de la configuration est nécessaire pour optimiser l'appareil. Pour une chose, les chercheurs prévoient d'approfondir l'étude de la durée de vie en cyclage des cellules. Jusque là, ils ont constaté que les appareils pouvaient conserver 95% de leur capacité après 1, 000 cycles, et même après 2, 000 cycles n'ont montré aucun signe de formation de dendrite. Les chercheurs prévoient également d'étudier les rôles relatifs des différents mécanismes de stockage du lithium sur les performances de l'appareil.
« Nous n'anticipons aucun obstacle majeur à la commercialisation de la technologie SMC, », a déclaré Jang. « Bien que le graphène soit actuellement vendu à un prix plus élevé, Matériaux Angstron, Inc., est activement engagé dans l'augmentation de la capacité de production de graphène. Les coûts de production du graphène devraient être considérablement réduits au cours des 1 à 3 prochaines années. »
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