Une équipe internationale de chercheurs dirigée par l'Université de Stanford a développé des batteries rechargeables pouvant stocker jusqu'à six fois plus de charge que celles actuellement disponibles dans le commerce.
Cela pourrait accélérer l'utilisation des batteries rechargeables et rapprocher les chercheurs en batteries d'un pas de plus vers la réalisation des deux principaux objectifs déclarés de leur domaine : créer une batterie rechargeable haute performance qui permettrait de recharger les téléphones portables une seule fois par semaine au lieu des véhicules quotidiens et électriques qui peut voyager six fois plus loin sans recharge.
Les nouvelles batteries dites alcalines-chlore, développées par une équipe de chercheurs dirigée par le professeur de chimie de Stanford Hongjie Dai et le doctorant Guanzhou Zhu, reposent sur la conversion chimique aller-retour du chlorure de sodium (Na/Cl2) ou chlorure de lithium (Li/Cl2) au chlore.
Lorsque les électrons voyagent d'un côté à l'autre d'une batterie rechargeable, la recharge ramène la chimie à son état d'origine en attendant une autre utilisation. Les piles non rechargeables n'ont pas cette chance. Une fois drainés, leur chimie ne peut pas être restaurée.
« Une batterie rechargeable, c'est un peu comme une chaise berçante. Il penche dans une direction, mais bascule ensuite lorsque vous ajoutez de l'électricité », a expliqué Dai. "Ce que nous avons ici, c'est une chaise berçante à bascule haute."
Découverte fortuite
La raison pour laquelle personne n'avait encore créé une batterie rechargeable au sodium-chlore ou au lithium-chlore haute performance est que le chlore est trop réactif et difficile à reconvertir en chlorure avec une efficacité élevée. Dans les rares cas où d'autres ont pu atteindre un certain degré de recharge, les performances de la batterie se sont avérées médiocres.
En fait, Dai et Zhu n'ont pas du tout cherché à créer une batterie rechargeable au sodium et au lithium-chlore, mais simplement à améliorer leurs technologies de batterie existantes en utilisant du chlorure de thionyle. Ce produit chimique est l'un des principaux ingrédients des batteries au lithium-chlorure de thionyle, qui sont un type populaire de batterie à usage unique inventé pour la première fois dans les années 1970.
Mais dans l'une de leurs premières expériences impliquant du chlore et du chlorure de sodium, les chercheurs de Stanford ont remarqué que la conversion d'un produit chimique en un autre s'était en quelque sorte stabilisée, entraînant une certaine recharge. "Je ne pensais pas que c'était possible", a déclaré Dai. « Il nous a fallu au moins un an pour vraiment comprendre ce qui se passait. »
Au cours des années suivantes, l'équipe a élucidé les chimies réversibles et cherché des moyens de les rendre plus efficaces en expérimentant avec de nombreux matériaux différents pour l'électrode positive de la batterie. La grande percée a eu lieu lorsqu'ils ont formé l'électrode à l'aide d'un matériau de carbone poreux avancé des collaborateurs, le professeur Yuan-Yao Li et son étudiant Hung-Chun Tai de l'Université nationale Chung Cheng de Taiwan. Le matériau de carbone a une structure de nanosphères remplie de nombreux pores ultra-minuscules. En pratique, ces sphères creuses agissent comme une éponge, absorbant de grandes quantités de molécules de chlore autrement sensibles et les stockant pour une conversion ultérieure en sel à l'intérieur des micropores.
"La molécule de chlore est piégée et protégée dans les minuscules pores des nanosphères de carbone lorsque la batterie est chargée", a expliqué Zhu. « Ensuite, lorsque la batterie doit être vidangée ou déchargée, nous pouvons décharger la batterie et convertir le chlore en NaCl (sel de table) et répéter ce processus sur plusieurs cycles. Nous pouvons faire du vélo jusqu'à 200 fois actuellement et il y a encore place à l'amélioration.
Le résultat est un pas vers l'anneau en laiton de la conception de la batterie, à haute densité d'énergie. Les chercheurs ont jusqu'à présent atteint 1,200 200 milliampères-heures par gramme de matériau d'électrode positive, tandis que la capacité de la batterie lithium-ion commerciale atteint aujourd'hui XNUMX milliampères-heures par gramme. "Le nôtre a une capacité au moins six fois plus élevée", a déclaré Zhu.
Les chercheurs envisagent un jour d'utiliser leurs batteries dans des situations où une recharge fréquente n'est pas pratique ou souhaitable, comme dans les satellites ou les capteurs à distance. De nombreux satellites autrement utilisables flottent maintenant en orbite, obsolètes en raison de leurs batteries à plat. Les futurs satellites équipés de batteries rechargeables à longue durée de vie pourraient être équipés de chargeurs solaires, multipliant ainsi leur utilité.
Pour l'instant, cependant, le prototype fonctionnel qu'ils ont développé pourrait toujours être adapté à une utilisation dans de petits appareils électroniques de tous les jours comme les appareils auditifs ou les télécommandes. Pour l'électronique grand public ou véhicules électriques, il reste encore beaucoup de travail à faire pour concevoir la structure de la batterie, augmenter la densité énergétique, augmenter les batteries et augmenter le nombre de cycles.
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