Un matériau dérivé des arbres pourrait potentiellement remplacer les électrolytes liquides dans les batteries de nouvelle génération.
À la recherche de batteries qui fournissent plus de puissance et fonctionnent de manière plus sûre, les chercheurs s’efforcent de remplacer les liquides couramment utilisés dans les batteries lithium-ion d’aujourd’hui par des matériaux solides. Aujourd’hui, une équipe de recherche de l’Université Brown et de l’Université du Maryland a développé un nouveau matériau à utiliser dans les batteries à semi-conducteurs, dérivé d’une source improbable : les arbres.
Dans une recherche publiée dans la revue La nature, l’équipe fait la démonstration d’un conducteur ionique solide qui combine du cuivre avec des nanofibrilles de cellulose, des tubes polymères dérivés du bois. Le matériau mince comme du papier a une conductivité ionique 10 à 100 fois supérieure à celle des autres conducteurs ioniques polymères, selon les chercheurs. Il pourrait être utilisé soit comme électrolyte de batterie solide, soit comme liant conducteur d’ions pour la cathode d’une batterie tout solide.
Un matériau dérivé des arbres pourrait potentiellement remplacer les électrolytes liquides dans les batteries de nouvelle génération. Crédit : Hu lab / Université du Maryland
“En incorporant du cuivre avec des nanofibrilles de cellulose unidimensionnelles, nous avons démontré que la cellulose normalement isolante ionique offre un transport lithium-ion plus rapide dans les chaînes polymères”, a déclaré Liangbing Hu, professeur au département des sciences et de l’ingénierie des matériaux de l’Université du Maryland. . « En fait, nous avons découvert que ce conducteur ionique atteignait une conductivité ionique record parmi tous les électrolytes polymères solides. »
Le travail était une collaboration entre le laboratoire de Hu et le laboratoire de Yue Qi, professeur à la Brown’s School of Engineering.
Les batteries lithium-ion d’aujourd’hui, qui sont largement utilisées dans tout, des téléphones portables aux voitures, ont des électrolytes fabriqués à partir de sel de lithium dissous dans un solvant organique liquide. Le travail de l’électrolyte est de conduire les ions lithium entre la cathode et l’anode d’une batterie. Les électrolytes liquides fonctionnent assez bien, mais ils ont quelques inconvénients. À des courants élevés, de minuscules filaments de lithium métal, appelés dendrites, peuvent se former dans l’électrolyte, provoquant des courts-circuits. De plus, les électrolytes liquides sont fabriqués avec des produits chimiques inflammables et toxiques, qui peuvent prendre feu.
Les électrolytes solides ont le potentiel d’empêcher la pénétration des dendrites et peuvent être fabriqués à partir de matériaux ininflammables. La plupart des électrolytes solides étudiés jusqu’à présent sont des matériaux céramiques, qui sont excellents pour conduire les ions, mais ils sont également épais, rigides et cassants. Les contraintes pendant la fabrication ainsi que le chargement et le déchargement peuvent entraîner des fissures et des cassures.
Le matériau introduit dans cette étude, cependant, est mince et flexible, presque comme une feuille de papier. Et sa conductivité ionique est comparable à celle de la céramique.
Qi et Qisheng Wu, associé de recherche principal chez Brown, ont effectué des simulations informatiques de la structure microscopique du matériau cuivre-cellulose pour comprendre pourquoi il est capable de si bien conduire les ions. L’étude de modélisation a révélé que le cuivre augmente l’espace entre les chaînes de polymères cellulosiques, qui existent normalement en faisceaux serrés. L’espacement élargi crée la quantité d’autoroutes ioniques à travers lesquelles les ions lithium peuvent passer relativement sans entrave.
“Les ions lithium se déplacent dans cet électrolyte solide organique via des mécanismes que nous trouvons généralement dans les céramiques inorganiques, permettant une conductivité ionique record”, a déclaré Qi. « L’utilisation de matériaux fournis par la nature réduira l’impact global de la fabrication de batteries sur notre environnement. »
En plus de fonctionner comme un électrolyte solide, le nouveau matériau peut également servir de liant cathodique pour une batterie à semi-conducteurs. Afin de correspondre à la capacité des anodes, les cathodes doivent être sensiblement plus épaisses. Cette épaisseur, cependant, peut compromettre la conduction ionique, réduisant ainsi l’efficacité. Pour que les cathodes plus épaisses fonctionnent, elles doivent être enfermées dans un liant conducteur d’ions. En utilisant leur nouveau matériau comme liant, l’équipe a démontré ce qu’elle pense être l’une des cathodes fonctionnelles les plus épaisses jamais rapportées.
Les chercheurs espèrent que le nouveau matériau pourrait être une étape vers l’introduction de la technologie des batteries à semi-conducteurs sur le marché de masse.
Référence : « Conducteurs d’ions cellulosiques coordonnés au cuivre pour batteries à l’état solide » par Chunpeng Yang, Qisheng Wu, Weiqi Xie, Xin Zhang, Alexandra Brozena, Jin Zheng, Mounesha N. Garaga, Byung Hee Ko, Yimin Mao, Shuaiming He, Yue Gao, Pengbo Wang, Madhusudan Tyagi, Feng Jiao, Robert Briber, Paul Albertus, Chunsheng Wang, Steven Greenbaum, Yan-Yan Hu, Akira Isogai, Martin Winter, Kang Xu, Yue Qi et Liangbing Hu, 20 octobre 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03885-6
La recherche à l’Université Brown a été soutenue par la National Science Foundation (DMR-2054438).
