Une électrode de batterie semblable à du papier développée par un ingénieur de l'Université d'État du Kansas peut améliorer les outils d'exploration spatiale ou les véhicules aériens sans pilote.

Gurpreet Singh, professeur agrégé de génie mécanique et nucléaire, et son équipe de recherche a créé l'électrode de batterie en utilisant du verre oxycarbure de silicium et du graphène.

L'électrode de batterie a toutes les bonnes caractéristiques. Il est plus de 10 pour cent plus léger que les autres électrodes de batterie. Il a une efficacité de cycle de près de 100 pour cent pour plus de 1000 cycles de charge et de décharge. Il est fait de matériaux à faible coût qui sont des sous-produits de l'industrie du silicone. Et il fonctionne à des températures aussi basses que moins 15 degrés C, ce qui lui donne de nombreuses applications aériennes et spatiales.

La recherche apparaît dans Communication Nature article "Électrode en papier composite verre-graphène oxycarbure de silicium pour batteries lithium-ion à cycle long."

L'équipe de recherche de Singh a exploré de nouvelles combinaisons de matériaux pour la conception des batteries et des électrodes. Il a été difficile d'incorporer du graphène et du silicium dans des batteries pratiques en raison des défis qui surviennent à des charges de masse élevées, telles qu'une faible capacité par volume, faible efficacité de cyclage et instabilité chimico-mécanique.

L'équipe de Singh a relevé ces défis en fabriquant une électrode autoportante et prête à l'emploi qui se compose d'une céramique vitreuse appelée oxycarbure de silicium prise en sandwich entre de grandes plaquettes de graphène modifié chimiquement, ou CMG. L'électrode a une capacité élevée d'environ 600 milliampères-heures par gramme—400 milliampères-heures par centimètre cube—qui est dérivée de l'oxycarbure de silicium. La conception semblable à du papier est composée à 20 % de plaquettes de graphène chimiquement modifiées.

« La conception semblable à du papier est nettement différente des électrodes utilisées dans les batteries actuelles car elle élimine le support en feuille métallique et la colle polymère, qui ne contribuent pas tous deux à la capacité de la batterie, " a déclaré Singh.

La conception développée par l'équipe de Singh a permis d'économiser environ 10 % du poids total de la cellule. Le résultat est une électrode légère capable de stocker du lithium-ion et des électrons avec une efficacité de cycle de près de 100 pour cent pendant plus de 1000 cycles de charge et de décharge. L'aspect le plus important est que le matériau est capable de démontrer de telles performances à des niveaux pratiques, dit Singh.

Les cellules d'électrodes en papier sont également capables de fournir une capacité de 200 milliampères-heure par gramme même lorsqu'elles sont maintenues à moins 15 degrés C pendant environ un mois, ce qui est assez remarquable étant donné que la plupart des batteries ne fonctionnent pas à des températures aussi basses, dit Singh.

"Cela suggère que les batteries rechargeables à base d'électrodes en verre de silicium et en graphène peuvent également convenir aux véhicules aériens sans pilote volant à haute altitude, ou peut-être même des applications spatiales, " a déclaré Singh.

Le matériau oxycarbure de silicium lui-même est assez spécial, dit Singh. Il est préparé en chauffant une résine liquide au point où elle se décompose et se transforme en particules vitreuses pointues. Le silicium, les atomes de carbone et d'oxygène se réarrangent en une structure 3-D aléatoire et tout excès de carbone précipite dans les régions cellulaires. Une telle structure 3D ouverte crée de grands sites pour le stockage réversible du lithium et des canaux lisses pour le transport lithium-ion. Cette structure et ce mécanisme de stockage du lithium sont différents de ceux des électrodes en silicium cristallin. Les électrodes en oxycarbure de silicium devraient être peu coûteuses car la matière première, la résine liquide, est un sous-produit de l'industrie du silicone.

Avancer, Singh et son équipe veulent relever des défis pratiques. L'objectif de Singh est de produire ce matériau d'électrode à des dimensions encore plus grandes. Par exemple, les piles crayon actuelles utilisent des électrodes en feuille de cuivre recouvertes de graphite qui mesurent plus d'un pied de longueur. L'équipe souhaite également effectuer des tests de flexion mécanique pour voir comment ils affectent les paramètres de performance.

"Finalement, nous aimerions travailler avec l'industrie pour explorer la production de cellules complètes de batterie lithium-ion, " a déclaré Singh. " L'oxycarbure de silicium peut également être préparé par impression 3D, c'est un autre domaine qui nous intéresse."