Anna Douglas, étudiante diplômée de Vanderbilt, tenant l'une des batteries qu'elle a modifiées en ajoutant des millions de points quantiques fabriqués à partir de pyrite de fer, l'or des fous. Crédit :John Russell, Université Vanderbilt
Si vous ajoutez des points quantiques - nanocristaux 10, 000 fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain - à une batterie de smartphone, il se chargera en 30 secondes, mais l'effet ne dure que quelques cycles de recharge.
Cependant, un groupe de chercheurs de l'Université Vanderbilt rapporte dans le numéro du 11 novembre de la revue ACS Nano qu'ils ont trouvé un moyen de surmonter ce problème :fabriquer les points quantiques à partir de pyrite de fer, communément appelé l'or des fous, peut produire des batteries qui se chargent rapidement et fonctionnent pendant des dizaines de cycles.
L'équipe de recherche dirigée par le professeur adjoint de génie mécanique Cary Pint et dirigée par l'étudiante diplômée Anna Douglas s'est intéressée à la pyrite de fer, car c'est l'un des matériaux les plus abondants à la surface de la terre. Il est produit sous forme brute en tant que sous-produit de la production de charbon et est si bon marché qu'il est utilisé dans les batteries au lithium qui sont achetées dans le magasin et jetées après une seule utilisation.
Malgré toutes leurs promesses, les chercheurs ont eu du mal à obtenir des nanoparticules pour améliorer les performances de la batterie.
"Les chercheurs ont démontré que les matériaux nanométriques peuvent considérablement améliorer les batteries, Mais il y a une limite, " Pint a déclaré. "Quand les particules deviennent très petites, signifiant généralement en dessous de 10 nanomètres (40 à 50 atomes de large), les nanoparticules commencent à réagir chimiquement avec les électrolytes et ne peuvent donc se charger et se décharger que quelques fois. Ce régime de taille est donc interdit dans les batteries lithium-ion commerciales."
Une image au microscope électronique à transmission d'un seul point quantique de pyrite de fer sur la gauche et un graphique qui montre la distribution de la taille des points quantiques d'or du fou qu'ils ont ajoutés aux batteries au lithium standard. Crédit :Pint Lab, Université Vanderbilt
Aidé par l'expertise de Douglas dans la synthèse de nanoparticules, l'équipe s'est mise à explorer ce régime « ultra petit ». Ils l'ont fait en ajoutant des millions de points quantiques de pyrite de fer de différentes tailles à des piles bouton au lithium standard comme celles qui sont utilisées pour alimenter les montres, télécommandes de clé automobile et lampes de poche à LED. Ils en ont eu le plus pour leur argent lorsqu'ils ont ajouté des nanocristaux ultrapetits d'environ 4,5 nanomètres. Ceux-ci ont considérablement amélioré les capacités de cyclage et de taux des batteries.
Les chercheurs ont découvert qu'ils ont obtenu ce résultat parce que la pyrite de fer a une façon unique de changer de forme en un composé de fer et de lithium-soufre (ou soufre de sodium) pour stocker de l'énergie. "C'est un mécanisme différent de la façon dont les batteries lithium-ion commerciales stockent la charge, où le lithium s'insère dans un matériau pendant la charge et est extrait pendant la décharge - tout en laissant le matériau qui stocke le lithium pratiquement inchangé, " expliqua Douglas.
Selon Pinte, « Vous pouvez y penser comme un gâteau à la vanille. Stocker du lithium ou du sodium dans des matériaux de batterie conventionnels, c'est comme pousser des pépites de chocolat dans le gâteau, puis retirer les pépites intactes. Avec les matériaux intéressants que nous étudions, tu mets des pépites de chocolat dans un gâteau à la vanille et ça se transforme en un gâteau au chocolat avec des pépites de vanille."
Par conséquent, les règles interdisant l'utilisation de nanoparticules ultra petites dans les batteries ne s'appliquent plus. En réalité, la balance penche en faveur des très petites nanoparticules.
"Au lieu de simplement insérer des ions lithium ou sodium dans ou hors des nanoparticules, le stockage dans la pyrite de fer nécessite également la diffusion d'atomes de fer. Malheureusement, le fer diffuse lentement, exigeant que la taille soit inférieure à la longueur de diffusion du fer - ce qui n'est possible qu'avec des nanoparticules ultra petites, " expliqua Douglas.
Une observation clé de l'étude de l'équipe était que ces nanoparticules ultrapetites sont équipées de dimensions qui permettent au fer de se déplacer vers la surface tandis que le sodium ou le lithium réagit avec les soufres dans la pyrite de fer. Ils ont démontré que ce n'est pas le cas pour les particules plus grosses, où l'incapacité du fer à se déplacer à travers les matériaux de pyrite de fer limite leur capacité de stockage.
Pint pense que la compréhension des mécanismes de stockage chimique et de la façon dont ils dépendent des dimensions nanométriques est essentielle pour permettre l'évolution des performances des batteries à un rythme conforme à la loi de Moore et pouvant soutenir la transition vers les véhicules électriques.
"Les batteries de demain qui peuvent se charger en quelques secondes et se décharger en quelques jours n'utiliseront pas seulement la nanotechnologie, ils bénéficieront du développement de nouveaux outils qui permettront de concevoir des nanostructures pouvant supporter des dizaines de milliers de cycles et possédant des capacités de stockage d'énergie rivalisant avec celles de l'essence, " a déclaré Pint. "Notre recherche est une étape majeure dans cette direction."
