(PhysOrg.com) -- Des chercheurs de Stanford ont utilisé la nanotechnologie pour inventer une meilleure cathode de batterie lithium-ion.

La conception des batteries lithium-ion rechargeables d'aujourd'hui limite l'utilisation de nouvelles technologies comme les voitures électriques et le stockage d'énergie à l'échelle du réseau, car elles ne stockent pas suffisamment d'énergie par rapport à leur volume et leur poids - ou, comme diraient les chercheurs, leur densité énergétique est trop faible.

Résoudre ce problème consiste en grande partie à trouver de nouveaux matériaux pour les électrodes de batterie chargées positivement et négativement, la cathode et l'anode.

Le groupe de recherche de l'inventeur de la batterie Yi Cui, professeur agrégé de science et génie des matériaux, utilise la nanotechnologie pour fabriquer des matériaux d'électrode qui améliorent considérablement la capacité de stockage électrique des batteries lithium-ion. Dans des recherches antérieures, ils ont réinventé les anodes de batterie en les fabriquant avec des nanofils de silicium.

Maintenant, Cui et ses étudiants ont utilisé des nanofibres de carbone creuses enrobées de soufre et un additif électrolytique spécial pour améliorer l'autre extrémité de la batterie lithium-ion rechargeable, la cathode. Les résultats ont été publiés en ligne le 14 septembre dans la revue Lettres nano .

Selon Cui, mettre des anodes de nanofils de silicium et des cathodes de carbone recouvertes de soufre dans une seule batterie est la prochaine génération de conception de batterie.

"Je crois fermement que c'est un choix futur prometteur pour fabriquer de meilleures batteries, " dit Cui.

"Le soufre est l'un des matériaux qui peut offrir une capacité de stockage de charge 10 fois plus élevée mais avec environ la moitié de la tension de la batterie existante, " il a dit.

La capacité de charge et la tension affectent la quantité d'énergie qu'une batterie peut fournir. Avec la cathode de soufre dans le cadre d'une batterie complète, la capacité de charge plus élevée permet de construire une batterie avec quatre à cinq fois plus de stockage d'énergie par rapport à la technologie de batterie lithium-ion existante.

Les batteries lithium-soufre ont retenu l'attention en raison du faible coût et de la non-toxicité du soufre. Cependant, les générations précédentes de cathodes au lithium et au soufre n'étaient pas viables pour la commercialisation, car elles échouent rapidement en cas de charge et de recharge répétées.

La nouvelle fabrication de cathode résout un certain nombre de problèmes matériels qui, Cui a dit, "Ajouter ensemble représente un très gros défi pour que ce matériau fonctionne comme une batterie viable."

Dans les conceptions précédentes de cathode au lithium-soufre, des couches de soufre sur des structures carbonées relativement ouvertes. C'est un problème car il expose le soufre à la solution d'électrolyte de la batterie. Lorsque des produits de réaction intermédiaires appelés polysulfures de lithium entrent en contact avec la solution d'électrolyte, ils réduisent la capacité de la batterie en se dissolvant dans l'électrolyte.

En tant qu'étudiant diplômé de Cui, Wesley Guangyuan Zheng, expliqué, "Cela peut être conflictuel car d'un côté nous ne voulons pas d'une grande surface en contact avec le soufre et l'électrolyte, et d'autre part nous voulons une grande surface pour les conductivités électriques et ioniques."

La nouvelle conception résout le conflit avec un processus de fabrication unique qui permet au soufre de recouvrir l'intérieur d'une nanofibre de carbone creuse, mais pas l'extérieur. Ce processus de fabrication repose sur une nouvelle utilisation d'une technologie de filtre disponible dans le commerce qui est normalement appliquée à la filtration de l'eau.

La nouvelle conception de cathode améliore également la capacité de la batterie car elle a une structure presque fermée qui empêche les polysulfures de s'écouler de manière significative dans la solution d'électrolyte. La longueur d'une nanofibre creuse est d'environ 300 fois son diamètre; les canaux longs et étroits empêchent les polysulfures de s'échapper.

En plus des gains de stockage d'énergie réalisés avec la fabrication améliorée de nanofibres de carbone creuses en soufre, L'étudiant diplômé de Cui, Yuan Yang, a inclus un additif électrolytique qui améliore la charge et l'efficacité énergétique de la batterie, connu sous le nom d'efficacité coulombienne.

"Sans l'additif, vous mettez 100 électrons dans la batterie et vous en obtenez 85. Avec l'additif, vous obtenez 99, " dit Cui.

"Pour concevoir la meilleure structure, nous avons besoin à la fois de la conception de l'électrode et de l'additif électrolytique et ces deux combinés peuvent vous donner une capacité élevée et une efficacité coulombique élevée, " a déclaré Cui. "Nous avons maintenant une capacité élevée des deux côtés de l'électrode; C'est excitant."