(Phys.org) —Des batteries plus puissantes pourraient aider les voitures électriques à atteindre une autonomie considérablement plus large et ainsi une percée sur le marché. Un nouveau nanomatériau pour batteries lithium-ion développé dans les laboratoires de chimistes de l'ETH Zurich et de l'Empa pourrait entrer en jeu ici.

Ils alimentent les voitures électriques, vélos électriques, Smartphones et ordinateurs portables :de nos jours, Les batteries lithium-ion rechargeables sont le support de stockage de choix lorsqu'il s'agit de fournir une grande quantité d'énergie dans un espace réduit et léger. Dans le monde entier, les scientifiques recherchent actuellement une nouvelle génération de telles batteries avec une performance améliorée. Des scientifiques dirigés par Maksym Kovalenko du Laboratoire de chimie inorganique de l'ETH Zurich et de l'Empa ont maintenant développé un nanomatériau qui permet de stocker considérablement plus d'énergie dans les batteries lithium-ion.

Le nanomatériau est composé de minuscules cristaux d'étain, qui doivent être déployés au pôle moins des batteries (anode). Lors du chargement des batteries, les ions lithium sont absorbés à cette électrode; lors de la décharge, ils sont à nouveau libérés (voir encadré). "Plus les électrodes peuvent absorber et libérer d'ions lithium, mieux elles peuvent respirer, pour ainsi dire - plus d'énergie peut être stockée dans une batterie, " explique Kovalenko.

Cristaux uniformes

L'élément étain est idéal pour cela :chaque atome d'étain peut absorber au moins quatre ions lithium. Cependant, le défi est de faire face au changement de volume des électrodes d'étain :le cristal d'étain devient jusqu'à trois fois plus gros s'il absorbe beaucoup d'ions lithium et se rétrécit à nouveau lorsqu'il les libère. Les scientifiques ont ainsi eu recours à la nanotechnologie :ils ont produit les plus petits nanocristaux d'étain et en ont enfoui un grand nombre dans un matériau poreux, matrice de carbone perméable conductrice. Tout comme une éponge peut aspirer de l'eau et la libérer à nouveau, une électrode ainsi construite peut absorber des ions lithium lors de la charge et les libérer lors de la décharge. Si l'électrode était constituée d'un bloc d'étain compact, ce serait pratiquement impossible.

Lors du développement du nanomatériau, la question de la taille idéale des nanocristaux s'est posée, qui comporte également le défi de produire des cristaux uniformes. "L'astuce ici était de séparer les deux étapes de base de la formation des cristaux - la formation d'un noyau cristallin aussi petit que possible d'une part et sa croissance ultérieure d'autre part, " explique Kovalenko. En influençant le temps et la température de la phase de croissance, les scientifiques ont pu contrôler la taille des cristaux. "Nous sommes les premiers à produire de si petits cristaux d'étain avec une telle précision, ", dit le scientifique.

Plus grande stabilité de cycle

En utilisant des nanocristaux d'étain uniformes, carbone et liants, les scientifiques ont produit différentes électrodes de test pour les batteries. "Cela permet de stocker deux fois plus d'énergie par rapport aux électrodes classiques, " dit Kovalenko. La taille des nanocristaux n'a pas affecté la capacité de stockage pendant le cycle de charge et de décharge initial. Après quelques cycles de charge et de décharge, cependant, les différences causées par la taille des cristaux sont devenues apparentes :les batteries avec des cristaux de dix nanomètres dans les électrodes étaient capables de stocker considérablement plus d'énergie que celles avec un diamètre deux fois plus grand. Les scientifiques supposent que les cristaux plus petits fonctionnent mieux car ils peuvent absorber et libérer les ions lithium plus efficacement. "Des cristaux d'étain de dix nanomètres semblent donc être la solution idéale pour les batteries lithium-ion, " dit Kovalenko.

Comme les scientifiques connaissent maintenant la taille idéale des nanocristaux d'étain, ils aimeraient porter leur attention sur les défis restants de la production d'électrodes en étain optimales dans d'autres projets de recherche. Il s'agit notamment du choix de la meilleure matrice carbonée et du meilleur liant possible pour les électrodes, et la structure microscopique idéale des électrodes. De plus, un liquide électrolytique optimal et stable dans lequel les ions lithium peuvent aller et venir entre les deux pôles de la batterie doit également être sélectionné. Finalement, les coûts de production sont également un problème, que les chercheurs cherchent à réduire en testant quels matériaux de base rentables conviennent à la production d'électrodes. L'objectif est de préparer des batteries avec une capacité de stockage d'énergie et une durée de vie accrues pour le marché, y compris en collaboration avec un partenaire industriel suisse.