Batterie à couches minces sans lithium, pour l’électronique portable
Le matériau associe sans lithium, les meilleures qualités d’une batterie à haute énergie et un super-condensateur de grande puissance. Avec la création de ce film mince pour le stockage de l’énergie, ce développement réalisé par le chimiste James riz Tour et ses collègues simplifie la conception de produits électroniques portables.L’épaisseur d’un condensateur électrochimique est de 0,02 mm, mais en augmentant l’épaisseur ou le nombre de couches, il peut s’adapter aux produits qui le reçoive. Les chercheurs* s’attendent avec le développement des techniques de fabrication à aboutir à des batteries extrêmement minces.En tests, les étudiants ont montré que leur dispositif de 5 mm² maintenait 76% de sa capacité de charge après plus de 10 000 cycles de charge-décharge et 1000 cycles de flexion. Le professeur Tour, explique que l’équipe a entrepris de trouver un matériau qui possède les qualités flexibles du graphène, des nanotubes de carbone et des polymères conducteurs, tout en possédant la capacité de stockage de l’électricité beaucoup plus élevé que l’on trouve généralement dans les composés métalliques inorganiques. Lesquels manquaient jusqu’à récemment de souplesse.
Film nickel-fluorure poreux de moins d’un micron d’épaisseur. L’image au microscope électronique montre une électrode efficace dans un nouveau type de batterie créé à l’Université Rice. (Crédit: / Groupe Tour / Rice University)
"C’est difficile à faire, car les matériaux offrant une grande capacité de stockage sont généralement fragile", a expliqué Tour. "Nous avons eu dans le passé, de très bons systèmes de stockage souples avec le carbone, mais le carbone n’a jamais atteint la valeur théorique que l’on touche avec les systèmes inorganiques, et en particulier le fluorure de nickel."
Pour Yang : "Par rapport à un dispositif lithium-ion, la structure est assez simple et sûr. Le système se comporte comme une batterie, mais la structure est celle d’un super-condensateur. Si nous l’utilisons comme un super-condensateur, nous pouvons le charger vite un niveau élevé de courant et le décharger en un temps très court. Mais pour d’autres applications, nous voyons qu’il est possible de le charger plus lentement et avec une décharge lente comme une batterie. "
Des électrodes de nickel-fluorure autour d’un électrolyte solide combinent les meilleures qualités des batteries et des super-condensateurs. Les électrodes sont déposées sur un support "or polymère" (qui peut être enlevée) et rendus poreux par un processus de gravure chimique. (Crédit: / Groupe Tour /Rice University)
Pour créer la batterie/super-condensateur, l’équipe a déposé une couche de nickel sur un support. Des pores de 5 nm à l’intérieur de la couche de fluorure de nickel de 900 nm d’épaisseur ont été gravés, ce qui donne une grande surface spécifique de stockage. Une fois retirés du support, cette couche est prise en sandwich entre deux électrodes composées d’un électrolyte d’hydroxyde de potassium. Les essais n’ont révélé aucune dégradation de la structure des pores, même après 10.000 cycles de charge/recharge. Les chercheurs n’ont également constaté aucune dégradation importante de l’interface électrode-électrolyte.
Pour le professeur Tour : "Concernant la puissance que le procédé peut fournir, les chiffres sont extrêmement élevés et montrent que c’est une méthode très simple pour développer des systèmes de forte puissance. La technique est aussi prometteuse pour la fabrication d’autres matériaux nanoporeux en 3D et nous sommes déjà en phase de commercialisation avec les entreprises intéressées par ce produit." La recherche est détaillée dans le Journal de l’American Chemical Society.
*Yan Yang post doctorant, Gedeng Ruan étudiant diplômé
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