Yuan Yang, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à Columbia Engineering, a développé une nouvelle méthode qui pourrait conduire à des batteries au lithium plus sûres, avoir une autonomie plus longue, et sont pliables, offrant de nouvelles possibilités telles que les smartphones flexibles. Sa nouvelle technique utilise la modélisation sur glace pour contrôler la structure de l'électrolyte solide pour les batteries au lithium utilisées dans l'électronique portable, véhicules électriques, et le stockage d'énergie au niveau du réseau. L'étude est publiée en ligne le 24 avril dans Lettres nano .

L'électrolyte liquide est actuellement utilisé dans les batteries au lithium commerciales, et, comme tout le monde le sait maintenant, il est hautement inflammable, causant des problèmes de sécurité avec certains ordinateurs portables et autres appareils électroniques. L'équipe de Yang a exploré l'idée d'utiliser de l'électrolyte solide comme substitut de l'électrolyte liquide pour fabriquer des batteries au lithium entièrement solides. Ils étaient intéressés par l'utilisation de la glace pour fabriquer des structures alignées verticalement d'électrolytes solides en céramique, qui fournissent des voies rapides aux ions lithium et sont hautement conducteurs. Ils ont refroidi la solution aqueuse avec des particules de céramique du fond, puis ont laissé la glace pousser et repousser et concentrer les particules de céramique. Ils ont ensuite appliqué un vide pour transformer la glace solide en un gaz, laissant une structure alignée verticalement. Finalement, ils ont combiné cette structure céramique avec un polymère pour fournir un support mécanique et une flexibilité à l'électrolyte.

"Dans les appareils électroniques portables, ainsi que les véhicules électriques, Les batteries au lithium tout solide flexibles résolvent non seulement les problèmes de sécurité, mais ils peuvent également augmenter la densité énergétique de la batterie pour le transport et le stockage. Et ils sont très prometteurs dans la création d'appareils pliables, " dit Yang, dont le groupe de recherche se concentre sur le stockage et la conversion électrochimique de l'énergie et la gestion de l'énergie thermique.

Les chercheurs dans des études antérieures ont utilisé soit des particules de céramique dispersées au hasard dans un électrolyte polymère, soit des électrolytes en céramique de type fibre qui ne sont pas alignés verticalement. "Nous pensions que si nous combinions la structure alignée verticalement de l'électrolyte céramique avec l'électrolyte polymère, nous serions en mesure de fournir une autoroute rapide pour les ions lithium et d'améliorer ainsi la conductivité, " dit Haowei Zhai, Le doctorant de Yang et l'auteur principal de l'article. "Nous pensons que c'est la première fois que quelqu'un utilise la méthode de la glace pour fabriquer un électrolyte solide flexible, qui est ininflammable et non toxique, dans les batteries au lithium. Cela ouvre une nouvelle approche pour optimiser la conduction ionique pour les batteries rechargeables de nouvelle génération."

En outre, disent les chercheurs, cette technique pourrait en principe améliorer la densité énergétique des batteries :En utilisant l'électrolyte solide, l'électrode négative de la batterie au lithium, actuellement une couche de graphite, pourrait être remplacé par du lithium métal, et cela pourrait améliorer l'énergie spécifique de la batterie de 60% à 70%. Yang et Zhai prévoient ensuite de travailler sur l'optimisation des qualités de l'électrolyte combiné et l'assemblage de l'électrolyte solide flexible avec des électrodes de batterie pour construire un prototype d'une batterie au lithium complète.

"C'est une idée intelligente, " dit Hailiang Wang, professeur adjoint de chimie à l'université de Yale. "La structure conçue de manière rationnelle aide vraiment à améliorer les performances de l'électrolyte composite. Je pense que c'est une approche prometteuse."