Un gros problème rencontré par les électrodes dans les batteries rechargeables, lorsqu'ils subissent des cycles répétés de charge et de décharge, est qu'ils doivent se dilater et se rétrécir au cours de chaque cycle, doublant parfois de volume, puis reculer. Cela peut entraîner une perte et une reformation répétées de sa couche "peau" qui consomme le lithium de manière irréversible, dégradant les performances de la batterie au fil du temps.

Aujourd'hui, une équipe de chercheurs du MIT et de l'Université Tsinghua en Chine a trouvé une nouvelle façon de contourner ce problème :créer une électrode faite de nanoparticules avec une coque solide, et un "jaune" à l'intérieur qui peut changer de taille encore et encore sans affecter la coquille. L'innovation pourrait améliorer considérablement la durée de vie du cycle, l'équipe dit, et fournissent une augmentation spectaculaire de la capacité et de la puissance de la batterie.

Les nouvelles découvertes, qui utilisent l'aluminium comme matériau clé pour l'électrode négative de la batterie lithium-ion, ou anode, sont rapportés dans le journal Communication Nature , dans un article du professeur du MIT Ju Li et de six autres personnes. L'utilisation de nanoparticules avec un jaune d'aluminium et une coque en dioxyde de titane s'est avérée être "le champion du haut débit parmi les anodes à haute capacité, " rapporte l'équipe.

La plupart des batteries lithium-ion actuelles - la forme de batteries rechargeables la plus répandue - utilisent des anodes en graphite, une forme de carbone. Le graphite a une capacité de stockage de charge de 0,35 ampère-heure par gramme (Ah/g); pendant de nombreuses années, les chercheurs ont exploré d'autres options qui fourniraient un plus grand stockage d'énergie pour un poids donné. Lithium métal, par exemple, peut stocker environ 10 fois plus d'énergie par gramme, mais est extrêmement dangereux, capable de court-circuiter ou même de prendre feu. Le silicium et l'étain ont une capacité très élevée, mais la capacité chute à des taux de charge et de décharge élevés.

L'aluminium est une option peu coûteuse avec une capacité théorique de 2 Ah/g. Mais l'aluminium et d'autres matériaux de grande capacité, Li dit, "se développer beaucoup lorsqu'ils atteignent une capacité élevée, quand ils absorbent le lithium. Et puis ils rétrécissent, lors de la libération de lithium."

Cette expansion et contraction des particules d'aluminium engendre de fortes contraintes mécaniques, ce qui peut provoquer la déconnexion des contacts électriques. Aussi, l'électrolyte liquide en contact avec l'aluminium se décomposera toujours aux tensions de charge/décharge requises, former une peau appelée couche d'interphase à électrolyte solide (SEI), ce qui serait bien si ce n'était de l'expansion et du rétrécissement répétés de grands volumes qui provoquent la chute des particules SEI. Par conséquent, les tentatives précédentes pour développer une électrode en aluminium pour les batteries lithium-ion avaient échoué.

C'est là qu'est née l'idée d'utiliser de l'aluminium confiné sous la forme d'une nanoparticule de coquille jaune. Dans le domaine des nanotechnologies, il y a une grande différence entre ce qu'on appelle les nanoparticules « cœur-coquille » et « jaune-coquille ». Les premiers ont une coque qui est collée directement au noyau, mais les particules de jaune-coquille présentent un vide entre les deux, équivalent à l'endroit où se trouverait le blanc d'un œuf. Par conséquent, le matériau "jaune" peut se dilater et se contracter librement, avec peu d'effet sur les dimensions et la stabilité de la "coque".

"Nous avons fabriqué une coque en oxyde de titane, " Li dit, "qui sépare l'aluminium de l'électrolyte liquide" entre les deux électrodes de la batterie. La coque ne se dilate ou ne rétrécit pas beaucoup, il dit, ainsi le revêtement SEI sur la coque est très stable et ne tombe pas, et l'intérieur en aluminium est protégé du contact direct avec l'électrolyte.

L'équipe ne l'avait pas prévu à l'origine de cette façon, dit Li, le professeur Battelle Energy Alliance en sciences et ingénierie nucléaires, qui a un poste conjoint au Département de science et d'ingénierie des matériaux du MIT.

"Nous avons trouvé la méthode par hasard, c'était une découverte fortuite, " dit-il. Les particules d'aluminium qu'ils utilisaient, qui font environ 50 nanomètres de diamètre, ont naturellement une couche oxydée d'alumine (Al2O3). « Il fallait s'en débarrasser, parce que ce n'est pas bon pour la conductivité électrique, " dit Li.

Ils ont fini par convertir la couche d'alumine en oxyde de titane (TiO2), un meilleur conducteur d'électrons et d'ions lithium lorsqu'il est très fin. Des poudres d'aluminium ont été placées dans de l'acide sulfurique saturé d'oxysulfate de titane. Lorsque l'alumine réagit avec l'acide sulfurique, un excès d'eau est libéré qui réagit avec l'oxysulfate de titane pour former une coque solide d'hydroxyde de titane d'une épaisseur de 3 à 4 nanomètres. Ce qui est surprenant, c'est que si cette coque solide se forme presque instantanément, si les particules restent encore quelques heures dans l'acide, le noyau en aluminium rétrécit continuellement pour devenir un "jaune" de 30 nm de diamètre, ", ce qui montre que de petits ions peuvent traverser la coquille.

Les particules sont ensuite traitées pour obtenir les particules de coquille de jaune d'aluminium et d'oxyde de titane (ATO). Après avoir été testé sur 500 cycles de charge-décharge, la coquille de titane devient un peu plus épaisse, Li dit, mais l'intérieur de l'électrode reste propre sans accumulation de SEI, prouver que la coque enferme complètement l'aluminium tout en permettant aux ions lithium et aux électrons d'entrer et de sortir. Le résultat est une électrode qui donne plus de trois fois la capacité du graphite (1,2 Ah/g) à un taux de charge normal, dit Li. À des taux de charge très rapides (six minutes pour une charge complète), la capacité est toujours de 0,66 Ah/g après 500 cycles.

Les matériaux sont bon marché, et le procédé de fabrication pourrait être simple et facilement évolutif, dit Li. Pour les applications nécessitant une batterie à haute puissance et densité d'énergie, il dit, "C'est probablement le meilleur matériau d'anode disponible." Des tests en cellule complète utilisant du phosphate de fer et de lithium comme cathode ont été couronnés de succès, indiquant que l'ATO est assez proche d'être prêt pour des applications réelles.

"Ces particules de coquille de jaune montrent des performances très impressionnantes dans les tests à l'échelle du laboratoire, " dit David Lou, professeur agrégé de génie chimique et biomoléculaire à l'Université technologique de Nanyang à Singapour, qui n'a pas participé à ce travail. "Tome, le point le plus attrayant de ce travail est que le processus semble simple et évolutif."

Il y a beaucoup de travail dans le domaine de la batterie qui utilise « une synthèse compliquée avec des installations sophistiquées, " Lou ajoute, mais de tels systèmes "ont peu de chances d'avoir un impact sur de vraies batteries. … Des choses simples ont un impact réel dans le domaine des batteries."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.