Les chercheurs du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) du Département de l'énergie se tournent vers des tubes et des tiges extrêmement minuscules pour augmenter la puissance et la durabilité des batteries lithium-ion, les sources d'énergie pour les téléphones portables, ordinateurs portables, et véhicules électriques. En cas de succès, les batteries dureront plus longtemps et fonctionneront mieux, conduisant à un avantage de coût pour les véhicules électriques.

Le transport et la communication dans le monde reposent de plus en plus sur les batteries lithium-ion, avec des téléphones portables omniprésents sur six continents, et les véhicules électriques sont en passe de passer d'un marché mondial de 1 milliard de dollars en 2009 à 14 milliards de dollars d'ici 2016, selon les analystes Frost et Sullivan.

Le groupe Stockage d'énergie de NREL travaille avec le Département de l'énergie, développeurs de batteries automobiles, et les constructeurs automobiles pour améliorer les performances et la durabilité des batteries lithium-ion avancées pour un nettoyage plus propre, un avenir de transport plus sûr, a déclaré Ahmad Pesaran, directeur du groupe de stockage d'énergie. « L'approche des nanotubes représente une opportunité passionnante :améliorer les performances des batteries lithium-ion rechargeables tout en les faisant durer plus longtemps, " Pesaran a déclaré. " L'augmentation de la durée de vie et des performances des batteries rechargeables réduira les coûts globaux des véhicules électriques et nous rendra moins dépendants des sources d'énergie étrangères. "

Les scientifiques du NREL ont créé des nanotubes et des nanotiges cristallins pour s'attaquer aux défis majeurs inhérents aux batteries lithium-ion :elles peuvent devenir trop chaudes, peser trop, et sont moins que stellaires pour conduire l'électricité et charger et décharger rapidement.

La contribution la plus récente de NREL aux batteries considérablement améliorées est la haute performance, sans liant, électrodes à base de nanotubes de carbone. La technologie a rapidement suscité l'intérêt de l'industrie et est concédée sous licence à NanoResearch, Inc., pour la production en série.

La nanotechnologie fait référence à la manipulation de la matière à l'échelle atomique ou moléculaire. Comment petit ? Un nanomètre est un milliardième de mètre; il faudrait 1, 000 des nanotubes du projet NREL se sont alignés les uns à côté des autres pour traverser la largeur d'un cheveu humain.

Encore, les scientifiques du NREL sont capables non seulement de créer des objets utiles aussi petits, mais guider leurs formations dans des formes particulières. Ils ont combiné des nanotubes et des nanotiges de manière à faciliter le chargement de la batterie tout en réduisant le gonflement et le rétrécissement qui conduisent à des électrodes à durée de vie réduite.

"Pensez à une batterie lithium-ion comme un nid d'oiseau, " Le scientifique du NREL Chunmei Ban a déclaré. " L'approche du NREL utilise des nanotiges pour améliorer ce qui se passe à l'intérieur, tout en veillant à ce que le nid reste durable et résilient."

"Nous changeons l'architecture, changer quelque peu la chimie, " sans changer la batterie elle-même, elle a dit.

Le travail de NREL a été soutenu par le bureau de la technologie des véhicules du département de l'énergie dans le cadre du programme Battery for Advanced Transportation Technologies (BATT), qui se concentre sur la réduction des coûts et l'amélioration des performances et de la durabilité des batteries lithium-ion qui alimentent les véhicules électriques.

Les nanotubes de carbone se lient et conduisent

Les batteries lithium-ion typiques utilisent des matériaux séparés pour conduire les électrons et lier les matériaux actifs, mais l'approche de NREL utilise des nanotubes de carbone pour les deux fonctions. "Cela améliore notre chargement de masse, ce qui a pour effet d'emballer plus d'énergie dans le même espace, donc meilleur rendement énergétique pour la batterie, " Ban a déclaré. "L'approche NREL contribue également à la réversibilité - l'inversion des réactions chimiques qui permet à la batterie d'être rechargée avec du courant électrique pendant le fonctionnement. Si nous pouvons améliorer la durabilité et la réversibilité, nous économisons de l'argent et réduisons les coûts."

Les nanotubes de carbone à simple paroi (SWCNT) sont chers, mais les scientifiques et les ingénieurs travaillant sur le terrain sont convaincus qu'à mesure que l'utilisation des électrodes à base de SWCNT se développe, leur prix va chuter à un point où ils ont un sens économique dans les batteries, dit Ban.

Dans une batterie lithium-ion, les ions lithium se déplacent d'avant en arrière dans l'anode en graphite à travers un électrolyte ; les ions sont injectés entre les couches de carbone du graphite, qui est durable mais inutilement dense. À la fois, les électrons circulent à l'extérieur de la batterie à travers une charge électrique de la cathode à l'anode. Les électrolytes sont essentiels dans les batteries rechargeables car ils ferment le circuit à l'intérieur des batteries en permettant le transfert des ions; autrement, la batterie ne peut pas continuer à conduire l'électricité des pôles positifs aux pôles négatifs et vice-versa.

Matériaux à haute énergie, tels que les oxydes métalliques et les anodes de silicium, ont des changements de volume massifs lorsque des ions lithium sont injectés et extraits du matériau de l'électrode. Ils gonflent et rétrécissent, se rassembler en grappe et se toucher, rétrécissant à l'unisson, provoquant un effondrement et des fissures ultérieures pouvant nuire aux performances, conduisant à la destruction de l'électrode et donc à une durée de vie réduite.

Certains oxydes métalliques font un meilleur travail que le graphite pour s'associer aux électrodes. Mais alors qu'ils améliorent le contenu énergétique et les fonctions d'inversion, ils contribuent encore à la grande expansion de volume et à la destruction de la structure interne.

L'équipe du NREL s'est tournée vers l'oxyde de fer, qui est abondant, en sécurité, peu coûteux, et montre une grande promesse. Encore, être efficace, la taille des nanoparticules d'oxyde de fer devait être parfaite et devait être maintenue dans une matrice solide, à la fois flexible et résistante pour faire face aux changements de volume importants tout en conduisant l'électricité de manière optimale.

NREL a exploité les propriétés uniques des SWCNT pour relever les défis de la chaleur, poids, et décharger tout à la fois. "Nous utilisons le nanotube de carbone dans ce réseau flexible pour fabriquer une enveloppe conductrice en forme de corde, " dit Ban. Alors, quand il y a rétrécissement, ces enveloppes permettent aux électrons d'atteindre l'oxyde de fer et de continuer sur le chemin conducteur sans relâche. L'utilisation de nanoparticules raccourcit la longueur de diffusion, améliorant la capacité de charge et de décharge rapides. L'utilisation de matériaux peu coûteux et abondants signifie moins de besoin de métaux aussi coûteux que le cobalt, actuellement utilisé dans les cathodes des batteries lithium-ion, baisser le coût global."

Construire de meilleures anodes et cathodes

Le SWCNT avec une solution d'oxyde de fer a produit une densité de puissance triple de celle du graphite, ce qui signifie des performances élevées tout en éliminant une grande partie du poids d'une batterie qui dépend du graphite. Pour y arriver, il était essentiel que les particules d'oxyde de fer soient réparties uniformément dans les nanotubes environnants.

Ban et son collègue du NREL, Zhuangchun Wu, ont utilisé la synthèse hydrothermale et la filtration sous vide pour construire des anodes lithium-ion qui ne nécessitent pas les liants typiques (la force d'adhérence qui permet à la batterie de supporter les cycles de charge-décharge) mais qui ont une capacité élevée. La première étape consistait à fabriquer des nanotiges d'oxyde de fer comme précurseurs pour la fabrication d'électrodes. Ban et ses collègues ont découvert qu'à 450 °C, le recuit des nanotiges d'hydroxyde de fer avec des SWCNT produirait de l'oxyde de fer. Et, les SWCNT n'ont contribué qu'à 5 % du poids. Non seulement les SWCNT ont-ils facilité la formation des particules d'oxyde de fer, mais ils assuraient un excellent contact physique et électrique entre les deux matériaux.

Pour les électrodes cathodiques, ils ont noyé du NMC – lithium nickel manganèse cobalt oxyde – dans les nanotubes, rendant les nanoparticules très conductrices. Le nanocomposite résultant conserve 92 % de sa capacité d'origine à stocker et à conduire des charges électriques même après 500 cycles de charge et de recharge.

L'expertise en synthèse par voie humide a guidé les formes idéales

Ce n'est pas aussi simple que de simplement mettre des nanomatériaux dans des batteries, dit Ban. "Vous avez besoin d'un processus spécial pour le faire fonctionner." Ban et ses collègues du NREL, Wu et Anne Dillon, ont utilisé un processus de filtration sous vide pour combiner de l'oxyde de fer peu coûteux avec des nanotubes de carbone.

Ban a apporté son expérience en synthèse par voie humide au défi d'influencer les formes des nanomatériaux pour les fabriquer sous forme de tiges. « Nous savons changer les conditions de synthèse pour orienter la conception ou réaliser la structure et la forme des nanomatériaux, " dit Ban.

Ils ont choisi une forme de tige parce qu'ils pensaient que cela s'intégrerait bien avec les nanofils et les courbures des nanotubes, en les enveloppant pour créer une électrode robuste. Les brins inhabituellement longs et très flexibles des nanomatériaux sont essentiels aux caractéristiques supérieures des électrodes. Ils se fixent intimement aux particules, et leur porosité permet une diffusion idéale.

Une batterie rechargeable qui dure

Les électrodes innovantes conçues par NREL peuvent signifier une capacité supérieure, performance, et la sécurité des batteries lithium-ion.

David Addie Noye, qui a fondé NanoResearch, Inc., avec un plan de commercialisation d'innovations éprouvées en nanosciences, visité le NREL, vu le processus, et a décidé de licencier la technologie. L'innovation de la chimie des nanomatériaux et l'innovation des procédés de fabrication qui se traduisent par des électrodes sans liant « changent la donne car elles aident à résoudre un problème fondamental que l'industrie des batteries lithium-ion n'a pas été en mesure de résoudre depuis des décennies, " il a dit.

Les améliorations apportées aux batteries lithium-ion offertes par l'approche de NREL peuvent également faire la différence dans l'électronique grand public portable, tels que les ordinateurs portables, comprimés, téléphones portables, et supports portables, ainsi que les dispositifs de stockage d'énergie stationnaires qui deviendront de plus en plus importants à mesure que de plus en plus d'énergies renouvelables à génération variable entreront dans le réseau.

"Nous ne fabriquons pas une nouvelle batterie, mais nous modifions quelque peu l'architecture en utilisant des anodes en oxyde métallique enveloppées de SWCT, " dit Ban. " Ce faisant, nous améliorons le chargement de masse, production d'énergie par poids, et le volume." Le processus assure une charge plus rapide, et c'est ce qui est le plus essentiel pour les fabricants et leurs clients. Cela signifie moins de déplacements à la station de recharge, et une batterie qui continue d'avancer et d'avancer.