Représentation artistique d'une pile bouton avec une électrode en cuivre (à gauche) contenant une structure de nanochaîne noire, dont les chercheurs ont découvert qu'il pourrait augmenter la capacité d'une batterie et réduire le temps de charge. Crédit :Purdue University illustration/Henry Hamann
La durée de vie de la batterie de votre téléphone ou de votre ordinateur dépend du nombre d'ions lithium pouvant être stockés dans le matériau de l'électrode négative de la batterie. Si la batterie est à court de ces ions, il ne peut pas générer de courant électrique pour faire fonctionner un appareil et échoue finalement.
Les matériaux avec une capacité de stockage des ions lithium plus élevée sont soit trop lourds, soit de mauvaise forme pour remplacer le graphite, le matériau d'électrode actuellement utilisé dans les batteries d'aujourd'hui.
Les scientifiques et les ingénieurs de l'Université Purdue ont introduit un moyen potentiel de restructurer ces matériaux en une nouvelle conception d'électrode qui leur permettrait d'augmenter la durée de vie d'une batterie, le rendre plus stable et raccourcir son temps de charge.
L'étude, apparaissant en couverture du numéro de septembre de Nanomatériaux appliqués , créé une structure en forme de filet, appelé "nanochaîne, " d'antimoine, un métalloïde connu pour améliorer la capacité de charge des ions lithium dans les batteries.
Les chercheurs ont comparé les électrodes à nanochaîne aux électrodes en graphite, constatant que lorsque les piles boutons avec l'électrode nanochain n'étaient chargées que pendant 30 minutes, ils ont atteint le double de la capacité lithium-ion pour 100 cycles de charge-décharge.
Certains types de batteries commerciales utilisent déjà des composites carbone-métal similaires aux électrodes négatives en métal d'antimoine, mais le matériau a tendance à se dilater jusqu'à trois fois car il absorbe des ions lithium, ce qui en fait un danger pour la sécurité lorsque la batterie se charge.
Une nouvelle méthode pourrait permettre à de meilleurs matériaux de constituer des électrodes de batterie en les convertissant en une structure de nanochaîne, le matériau noir sur cette électrode de cuivre d'une pile bouton. Crédit :Université Purdue /Kayla Wiles
"Vous voulez accueillir ce type d'extension dans les batteries de votre smartphone. De cette façon, vous ne transportez pas quelque chose de dangereux, " dit Vilas Pol, un professeur agrégé Purdue de génie chimique.
En appliquant des composés chimiques (un agent réducteur et un agent de nucléation), les scientifiques de Purdue ont connecté les minuscules particules d'antimoine en une forme de nanochaîne qui permettrait l'expansion requise. L'agent réducteur particulier utilisé par l'équipe, ammoniac-borane, est responsable de la création des espaces vides - les pores à l'intérieur de la nanochaîne - qui permettent l'expansion et suppriment la défaillance des électrodes.
L'équipe a appliqué l'ammoniac-borane à plusieurs composés différents d'antimoine, constatant que seul le chlorure d'antimoine produisait la structure de la nanochaîne.
"Notre procédure pour fabriquer les nanoparticules fournit systématiquement les structures de la chaîne, " a déclaré P. V. Ramachandran, professeur de chimie organique à Purdue.
La nanochaîne maintient également la capacité des ions lithium stable pendant au moins 100 cycles de charge-décharge. "Il n'y a pratiquement aucun changement du cycle 1 au cycle 100, donc nous n'avons aucune raison de penser que le cycle 102 ne sera pas le même, " dit Pol.
Henri Hamann, un étudiant diplômé en chimie à Purdue, synthétisé la structure de la nanochaîne d'antimoine et Jassiel Rodriguez, un candidat postdoctoral en génie chimique Purdue, testé les performances de la batterie électrochimique.
La conception de l'électrode a le potentiel d'être évolutive pour les batteries plus grandes, disent les chercheurs. L'équipe prévoit ensuite de tester la conception dans des piles à piles.
