Des chercheurs en ingénierie du Rensselaer Polytechnic Institute ont fabriqué une feuille de papier à partir du matériau le plus fin au monde, graphène, puis zappé le papier avec un laser ou un flash d'appareil photo pour le tacher d'innombrables fissures, pores, et autres imperfections. Le résultat est un matériau d'anode en graphène qui peut être chargé ou déchargé 10 fois plus rapidement que les anodes en graphite conventionnelles utilisées dans les batteries lithium (Li)-ion d'aujourd'hui.

Les batteries Li-ion rechargeables sont la norme de l'industrie pour les téléphones mobiles, ordinateurs portables et tablettes, voiture électrique, et une gamme d'autres appareils. Alors que les batteries Li-ion ont une densité énergétique élevée et peuvent stocker de grandes quantités d'énergie, ils souffrent d'une faible densité de puissance et sont incapables d'accepter ou de décharger rapidement de l'énergie. Cette faible densité de puissance est la raison pour laquelle il faut environ une heure pour charger la batterie de votre téléphone portable ou ordinateur portable, et pourquoi les moteurs d'automobiles électriques ne peuvent pas compter uniquement sur des batteries et nécessitent un supercondensateur pour des fonctions à haute puissance telles que l'accélération et le freinage.

L'équipe de recherche Rensselaer, dirigé par l'expert en nanomatériaux Nikhil Koratkar, a cherché à résoudre ce problème et à créer une nouvelle batterie qui pourrait contenir de grandes quantités d'énergie mais aussi accepter et libérer rapidement cette énergie. Une telle innovation pourrait alléger le besoin d'appariement complexe de batteries Li-ion et de supercondensateurs dans les voitures électriques, et conduire à plus simple, des moteurs automobiles plus performants basés uniquement sur la haute énergie, batteries Li-ion haute puissance. Koratkar et son équipe sont confiants dans leur nouvelle batterie, créé par des défauts d'ingénierie intentionnelle dans le graphène, est un tremplin essentiel sur la voie de la réalisation de ce grand objectif. De telles batteries pourraient également réduire considérablement le temps nécessaire pour charger les appareils électroniques portables des téléphones et ordinateurs portables aux appareils médicaux utilisés par les ambulanciers paramédicaux et les premiers intervenants.

« La technologie des batteries Li-ion est magnifique, mais vraiment entravé par sa densité de puissance limitée et son incapacité à accepter ou à décharger rapidement de grandes quantités d'énergie. En utilisant notre papier graphène conçu par défaut dans l'architecture de la batterie, Je pense que nous pouvons aider à surmonter cette limitation, " dit Koratkar, le professeur d'ingénierie John A. Clark et Edward T. Crossan à Rensselaer. "Nous pensons que cette découverte est mûre pour la commercialisation, et peut avoir un impact significatif sur le développement de nouvelles batteries et systèmes électriques pour les automobiles électriques et les applications électroniques portables. » Les résultats de l'étude ont été publiés cette semaine par la revue ACS Nano dans l'article « Le graphène photo-thermiquement réduit en tant qu'anodes haute puissance pour les batteries lithium-ion. »

Koratkar et son équipe ont commencé à étudier le graphène comme remplacement possible du graphite utilisé comme matériau d'anode dans les batteries Li-ion d'aujourd'hui. Essentiellement une seule couche de graphite que l'on trouve couramment dans nos crayons ou le charbon de bois que nous brûlons sur nos barbecues, Le graphène est une feuille d'atomes de carbone de l'épaisseur d'un atome disposée comme une clôture en grillage à l'échelle nanométrique. Dans les études précédentes, Les batteries Li-ion avec anodes en graphite présentaient une bonne densité d'énergie mais une faible densité de puissance, ce qui signifie qu'ils ne pouvaient pas se charger ou se décharger rapidement. Cette charge et cette décharge lentes étaient dues au fait que les ions lithium ne pouvaient physiquement entrer ou sortir de l'anode en graphite de la batterie que par les bords, et progressent lentement sur toute la longueur des couches individuelles de graphène.

La solution de Koratkar consistait à utiliser une technique connue pour créer une grande feuille de papier à l'oxyde de graphène. Ce papier a environ l'épaisseur d'un morceau de papier d'imprimante de tous les jours, et peut être fait presque n'importe quelle taille ou forme. L'équipe de recherche a ensuite exposé une partie du papier d'oxyde de graphène à un laser, et d'autres échantillons du papier ont été exposés à un simple flash d'un appareil photo numérique. Dans les deux cas, la chaleur du laser ou du flash photo provoquait littéralement des mini-explosions dans tout le papier, car les atomes d'oxygène dans l'oxyde de graphène ont été violemment expulsés de la structure. Les conséquences de cet exode d'oxygène étaient des feuilles de graphène grêlées d'innombrables fissures, pores, vides, et autres défauts. La pression créée par l'oxygène qui s'échappe a également incité le papier au graphène à se dilater cinq fois en épaisseur, créant de grands vides entre les feuilles de graphène individuelles.

Les chercheurs ont rapidement appris que ce papier au graphène endommagé fonctionnait remarquablement bien comme anode pour une batterie Li-ion. Alors qu'avant, les ions lithium traversaient lentement toute la longueur des feuilles de graphène pour se charger ou se décharger, les ions utilisaient désormais les fissures et les pores comme raccourcis pour entrer ou sortir rapidement du graphène, augmentant considérablement la densité de puissance globale de la batterie. L'équipe de Koratkar a démontré comment leur matériau d'anode expérimental pouvait se charger ou se décharger 10 fois plus rapidement que les anodes conventionnelles dans les batteries Li-ion sans subir une perte significative de sa densité énergétique. Malgré les innombrables pores microscopiques, fissures, et des vides omniprésents dans toute la structure, l'anode en papier graphène est remarquablement robuste, et a continué à fonctionner avec succès même après plus de 1, 000 cycles de charge/décharge. La conductivité électrique élevée des feuilles de graphène a également permis un transport efficace des électrons dans l'anode, qui est une autre propriété nécessaire pour les applications à haute puissance.

Koratkar a déclaré que le processus de fabrication de ces nouvelles anodes en papier de graphène pour les batteries Li-ion peut facilement être étendu pour répondre aux besoins de l'industrie. Le papier au graphène peut être fabriqué dans pratiquement n'importe quelle taille et forme, et l'exposition photo-thermique par laser ou flash d'appareil photo est un processus facile et peu coûteux à reproduire. Les chercheurs ont déposé une demande de protection par brevet pour leur découverte. La prochaine étape de ce projet de recherche consiste à associer le matériau d'anode en graphène à un matériau de cathode haute puissance pour construire une batterie complète.