(PhysOrg.com) -- Une percée dans les composants des batteries de nouvelle génération pourrait provenir de matériaux spéciaux qui transforment leur structure pour mieux fonctionner au fil du temps.

Une équipe de chercheurs du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie, dirigé par le nanoscientifique d'Argonne Tijana Rajh et l'expert en batteries Christopher Johnson, découvert que les nanotubes composés de dioxyde de titane peuvent changer de phase lorsqu'une batterie est cyclée, augmentant progressivement leur capacité opérationnelle. Des tests en laboratoire ont montré que les nouvelles batteries produites avec ce matériau pouvaient être rechargées jusqu'à la moitié de leur capacité d'origine en moins de 30 secondes.

En remplaçant les anodes en graphite conventionnelles par celles composées de nanotubes de titane, Rajh et ses collègues ont été témoins d'un phénomène surprenant. Lorsque la batterie a subi plusieurs charges et décharges, sa structure interne a commencé à s'orienter d'une manière qui a considérablement amélioré les performances de la batterie.

« Nous ne nous attendions pas à ce que cela se produise lorsque nous avons commencé à travailler avec le matériau, mais l'anode a spontanément adopté la meilleure structure, " a déclaré Rajh. " Il y a une sorte de plasticité interne au système qui lui permet de changer au fur et à mesure que la batterie est cyclée. "

Selon le nanoscientifique d'Argonne Hui Xiong, qui a travaillé avec Rajh pour développer le nouveau matériau d'anode, le dioxyde de titane semblait peu susceptible de se substituer adéquatement au graphite. "Nous sommes partis d'un matériau dont nous n'aurions jamais pensé qu'il aurait une utilisation fonctionnelle, et c'est devenu quelque chose qui nous a donné le meilleur résultat possible, " elle a dit.

L'un des autres chercheurs du groupe de Rajh, Sanja Tepavcevic, a adopté une approche similaire pour créer une structure auto-améliorante pour une nanobatterie sodium-ion.

"Il s'agit d'un comportement matériel très inhabituel, " a ajouté Jeff Chamberlain, un chimiste d'Argonne qui dirige la grande initiative de stockage d'énergie du laboratoire. "Nous assistons à des transitions de phase à l'échelle nanométrique qui sont très intéressantes d'un point de vue scientifique, et c'est la compréhension plus approfondie du comportement de ces matériaux qui révélera les mystères des matériaux utilisés dans les systèmes de stockage d'énergie électrique."

La raison pour laquelle le dioxyde de titane semblait être une solution invraisemblable pour le développement de batteries réside dans la nature amorphe du matériau. Parce que les matériaux amorphes n'ont pas d'ordre interne, ils n'ont pas les propriétés électroniques spéciales des matériaux cristallins hautement ordonnés. Cependant, les matériaux amorphes ne sont pas connus pour subir des transformations structurelles aussi profondes au cours du cyclage, selon Rajh. La plupart des matériaux de batterie connus subissent la transition inverse :ils commencent comme hautement cristallins et se pulvérisent jusqu'à un état amorphe lors du cyclage.

Avoir des anodes composées de dioxyde de titane au lieu de graphite améliore également la fiabilité et la sécurité des batteries lithium-ion. Dans certains cas, le lithium peut sortir de la solution et se déposer sur les anodes en graphite, provoquant une réaction en chaîne dangereuse connue sous le nom d'emballement thermique. « Chaque type de test que nous avons effectué sur des anodes en titane a montré qu'elles étaient exceptionnellement sûres, " dit Chamberlain.

La découverte d'Argonne est le fruit d'une collaboration entre deux des installations phares du laboratoire :le Center for Nanoscale Materials et la Advanced Photon Source. En combinant des techniques de nanofabrication de pointe avec des rayons X de haute intensité pour caractériser les nanotubes, les chercheurs d'Argonne ont pu observer rapidement ce comportement inhabituel.