À gauche :une micrographie électronique montre des fissures laissées dans un revêtement polymère auto-cicatrisant en raison du gonflement de son électrode de silicium pendant la charge. À droite :cinq heures plus tard, les petites fissures ont cicatrisé. Crédit :C. Wang et al, Chimie de la nature
Les chercheurs ont fabriqué la première électrode de batterie qui se guérit d'elle-même, ouvrant une voie nouvelle et potentiellement commercialement viable pour fabriquer la prochaine génération de batteries lithium-ion pour voitures électriques, téléphones portables et autres appareils. Le secret est un polymère extensible qui enrobe l'électrode, le lie ensemble et guérit spontanément les minuscules fissures qui se développent pendant le fonctionnement de la batterie, a déclaré l'équipe de l'Université de Stanford et du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie (DOE).
Ils ont rapporté l'avance dans le numéro du 19 novembre de Chimie de la nature .
"L'auto-guérison est très importante pour la survie et la longue durée de vie des animaux et des plantes, " dit Chao Wang, chercheur postdoctoral à Stanford et l'un des deux principaux auteurs de l'article. "Nous voulons incorporer cette fonctionnalité dans les batteries lithium-ion afin qu'elles aient également une longue durée de vie."
Chao a développé le polymère auto-cicatrisant dans le laboratoire du professeur de Stanford Zhenan Bao, dont le groupe a travaillé sur une peau électronique flexible pour une utilisation dans des robots, capteurs, membres prothétiques et autres applications. Pour le projet de batterie, il a ajouté de minuscules nanoparticules de carbone au polymère afin qu'il conduise l'électricité.
"Nous avons constaté que les électrodes en silicium duraient 10 fois plus longtemps lorsqu'elles étaient recouvertes du polymère auto-cicatrisant, qui a réparé les fissures en quelques heures seulement, " dit Bao.
Ce prototype de batterie lithium-ion, fabriqué dans un laboratoire de Stanford, contient une électrode de silicium protégée par un revêtement de polymère auto-cicatrisant. Les câbles et les clips en arrière-plan font partie d'un appareil pour tester les performances des batteries pendant plusieurs cycles de charge-décharge. Crédit :Brad Plummer/SLAC
« Leur capacité de stockage de l'énergie est désormais dans la plage pratique, mais nous aimerions certainement pousser cela, " dit Yi Cui, un professeur agrégé au SLAC et à Stanford qui a dirigé la recherche avec Bao. Les électrodes ont fonctionné pendant environ 100 cycles de charge-décharge sans perdre de manière significative leur capacité de stockage d'énergie. "C'est encore loin de l'objectif d'environ 500 cycles pour les téléphones portables et 3, 000 cycles pour un véhicule électrique, " Cui a dit, "mais la promesse est là, et d'après toutes nos données, il semble que cela fonctionne."
Les chercheurs du monde entier s'efforcent de trouver des moyens de stocker plus d'énergie dans les électrodes négatives des batteries lithium-ion afin d'obtenir des performances plus élevées tout en réduisant le poids. L'un des matériaux d'électrode les plus prometteurs est le silicium; il a une grande capacité d'absorption des ions lithium du liquide de la batterie pendant la charge, puis de les relâcher lorsque la batterie est mise en service.
Mais cette capacité élevée a un prix :les électrodes en silicium gonflent jusqu'à trois fois la taille normale et se rétractent à chaque fois que la batterie se charge et se décharge, et le matériau cassant se fissure et se désagrège bientôt, dégradation des performances de la batterie. C'est un problème pour toutes les électrodes dans les batteries de grande capacité, dit Hui Wu, un ancien post-doctorant de Stanford qui est maintenant membre du corps professoral de l'Université Tsinghua de Pékin, l'autre auteur principal de l'article.
Pour faire le revêtement auto-cicatrisant, les scientifiques ont délibérément affaibli certaines des liaisons chimiques au sein des polymères - longtemps, molécules en forme de chaîne avec de nombreuses unités identiques. Le matériau résultant se casse facilement, mais les extrémités cassées sont chimiquement attirées l'une vers l'autre et se reconnectent rapidement, imiter le processus qui permet aux molécules biologiques telles que l'ADN de s'assembler, réorganiser et décomposer.
Les chercheurs du laboratoire de Cui et d'ailleurs ont testé un certain nombre de façons de garder les électrodes en silicium intactes et d'améliorer leurs performances. Certains sont à l'étude pour des utilisations commerciales, mais beaucoup impliquent des matériaux exotiques et des techniques de fabrication qui sont difficiles à mettre à l'échelle pour la production.
L'électrode auto-cicatrisante, qui est fabriqué à partir de microparticules de silicium largement utilisées dans l'industrie des semi-conducteurs et des cellules solaires, est la première solution qui semble offrir une voie pratique à suivre, dit Cui. Les chercheurs ont déclaré qu'ils pensaient que cette approche pourrait également fonctionner pour d'autres matériaux d'électrode, et ils continueront à affiner la technique pour améliorer les performances et la longévité de l'électrode de silicium.
