Les non-tissés métalliques : un matériau pour les batteries du futur
Une start-up commercialise les électrodes en non-tissé : "Avec notre technique, nous avons une chance de rattraper l'avance des fabricants asiatiques et d'être meilleurs"
Les batteries sont de plus en plus performantes. Une découverte faite par des chercheurs de l'Institut Max Planck pour la recherche médicale à Heidelberg pourrait désormais leur donner un net coup de pouce en matière d'énergie. Une équipe dirigée par Joachim Spatz, directeur du Max-Planck, a constaté que les non-tissés métalliques utilisés comme matériau de contact dans les électrodes de batterie accélèrent considérablement le transport de charge, notamment des ions métalliques. Cela permet de construire des électrodes nettement plus épaisses que celles utilisées aujourd'hui. Cela permet d'économiser une bonne moitié du métal de contact ainsi que d'autres matériaux qui ne contribuent pas au stockage de l'énergie. De cette manière, les chercheurs peuvent augmenter considérablement la densité énergétique des batteries.
Le statu quo : un compromis entre densité énergétique et puissance
"La base de ce processus est un mécanisme jusqu'ici inconnu que nous avons découvert lors du transport des ions dans les électrodes", explique Joachim Spatz. Les électrodes de batterie sont composées d'un matériau de contact et d'un matériau actif. Le matériau de contact - pour le pôle négatif des batteries lithium-ion, il s'agit aujourd'hui d'une feuille de cuivre, pour le pôle positif d'une feuille d'aluminium - a pour seule fonction de transporter le courant vers l'électrode et de l'en éloigner. Le matériau actif est le véritable matériau de stockage, qui absorbe et restitue la charge lors de la charge et de la décharge. Pour cela, les fabricants de batteries utilisent aujourd'hui du graphite dans le pôle négatif et différents composés inorganiques contenant du lithium dans le pôle positif. Le matériau actif est poreux, de sorte qu'il est traversé par l'électrolyte liquide.
Les matériaux actifs utilisés aujourd'hui absorbent certes une grande quantité de charge, mais ils conduisent très mal les ions. Les ions doivent alors traverser l'électrolyte liquide pour se rendre dans le matériau actif. Comme ils sont emballés dans une enveloppe de molécules d'électrolyte et qu'ils sont donc volumineux, ils ne se déplacent que difficilement dans l'électrolyte. Et dans le matériau actif lui-même, elles ne progressent pas bien non plus. Les fabricants de batteries sont donc confrontés à un dilemme : soit ils rendent les électrodes épaisses pour que leur densité énergétique soit la plus élevée possible, mais dans ce cas, les batteries correspondantes ne peuvent pas être chargées et déchargées rapidement. Ou bien ils rendent les électrodes extrêmement minces et acceptent que la densité énergétique diminue afin d'obtenir une charge et une décharge rapides. En trouvant un compromis entre ces deux caractéristiques, les fabricants de batteries parviennent aujourd'hui à des électrodes d'une épaisseur d'environ un dixième de millimètre. Cela correspond à peu près au diamètre d'un cheveu humain.
Une nouvelle approche : le transport accéléré des ions par une double couche électrique
L'équipe de Heidelberg indique désormais, dans une étude parue dans la revue spécialisée ACS Nano, une voie permettant de produire des électrodes au moins dix fois plus épaisses que celles utilisées aujourd'hui, tout en permettant une charge et une décharge rapides. Les chercheurs ont démontré que les ions de lithium se débarrassent de leur enveloppe moléculaire sur une surface de cuivre, s'y déposent et forment avec les électrons qui s'accumulent sous la surface métallique une double couche électrique, appelée couche de Helmholtz. "Grâce à un dispositif de mesure spécialement conçu et à des calculs théoriques, nous avons montré que les ions de lithium se déplacent environ 56 fois plus vite à travers la couche de Helmholtz qu'à travers l'électrolyte", explique Joachim Spatz. "Les surfaces métalliques sont donc une sorte d'autoroute pour les ions métalliques".
Si les ions métalliques se déplacent aussi rapidement sur les surfaces métalliques, cela signifie qu'il est judicieux de traverser le matériau actif avec un réseau d'autoroutes métalliques pour le transport des ions. C'est exactement ce qu'ont fait Joachim Spatz et son équipe. Les chercheurs ont fabriqué des nappes de fils métalliques d'une épaisseur de quelques centièmes de millimètre seulement. Ils ont ensuite introduit le matériau actif dans ces non-tissés métalliques. Ils ont ainsi pu se contenter de la moitié de la quantité de cuivre utilisée pour les électrodes en film courantes. Même si une électrode est dix fois plus épaisse que la norme actuelle, les ions de lithium entrent et sortent si rapidement du matériau actif par le biais d'un non-tissé que cela suffit par exemple pour l'utilisation dans les voitures électriques. Pour les électrodes en non-tissé, cela donne en fin de compte une densité énergétique jusqu'à 85 pour cent supérieure à celle des électrodes en film.
Batene GmbH : une start-up pour les électrodes en non-tissé
"L'alimentation d'un matériau en charge par le biais de couches bidimensionnelles n'est en aucun cas efficace", explique Joachim Spatz en se référant au modèle de la nature : elle alimente les organismes par le biais d'un réseau tridimensionnel de vaisseaux. "C'est l'objectif de notre technologie : un réseau d'alimentation en 3D pour les porteurs de charge, par lequel les batteries peuvent être chargées et déchargées efficacement".
Mais les électrodes en non-tissé ne sont pas seulement nettement plus performantes que les électrodes en film, elles sont aussi plus faciles et moins coûteuses à fabriquer. En effet, lors de la production des batteries actuelles, les fabricants doivent appliquer les fines couches de matériau actif sur les feuilles de contact au cours d'un processus complexe et à l'aide de solvants parfois toxiques. En revanche, le matériau actif peut être introduit dans les non-tissés sous forme de poudre. "Avec le remplissage à sec, nous pouvons probablement économiser 30 à 40 pour cent des coûts de production, et les installations de production ont besoin d'un tiers d'espace en moins", explique Joachim Spatz.
Comme le chercheur voit un grand potentiel dans les électrodes en non-tissé, il a déjà fondé une start-up qui développe la technique de la batterie jusqu'à sa commercialisation en collaboration avec de grands constructeurs automobiles par exemple. Et selon la conviction de Joachim Spatz, cela pourrait également améliorer les chances de concurrence des fabricants allemands dans la technique des batteries qui se développe à une vitesse fulgurante : "Avec notre technique, nous avons la chance de rattraper l'avance des fabricants asiatiques et d'être meilleurs".
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
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