Des recherches électrisantes menées par des scientifiques de l’Université Clemson pourraient mener à la création de batteries plus légères et plus rapides, adaptées à l’alimentation d’une combinaison spatiale, ou même d’un rover Mars.
La recherche, qui a été financée par la NASA, a récemment été rapportée dans un article intitulé « Three-Dimensional Si Anodes with Fast Diffusion, High Capacity, High Rate Capability, and Long Cycle Life » paru dans la revue Applied Materials and Interfaces de l’American Chemical Society. Ses auteurs sont Shailendra Chiluwal, Nawraj Sapkota, Apparao M. Rao et Ramakrishna Podila, qui font tous partie du Clemson Nanomaterials Institute (CNI).
Podila, professeur adjoint au département de physique et d’astronomie du College of Science, a déclaré que les nouvelles batteries révolutionnaires pourraient bientôt être utilisées dans les satellites américains.
« La plupart des satellites obtiennent principalement leur puissance du soleil », a déclaré Podila. « Mais les satellites doivent être en mesure de stocker l’énergie pour quand ils sont dans l’ombre de la Terre. Nous devons rendre les batteries aussi légères que possible, car plus le satellite pèse, plus sa mission coûte cher.
Podila a dit que pour comprendre les percées du groupe, vous pouvez visualiser l’anode de graphite dans une batterie lithium-ion comme un jeu de cartes, dans lequel chaque carte représente une couche de graphite qui est utilisé pour stocker la charge jusqu’à ce que l’électricité est nécessaire. Le problème, podila dit, est que « graphite ne peut pas stocker beaucoup de frais. »
L’équipe de Clemson a choisi de travailler avec du silicium, qui peut emballer plus de charge, ce qui signifie que plus d’énergie peut être stockée dans des cellules plus légères. Alors que les scientifiques ont longtemps évalué la grande capacité de silicium pour le stockage électrique, ce matériau se décompose en petits morceaux comme il se charge et se décharge.
La solution proposée par l’équipe consiste à utiliser de minuscules particules nanométriques de silicium, qui augmentent la stabilité et assurent une durée de vie plus longue. Plutôt qu’un jeu de cartes en graphite, les nouvelles batteries utilisent des couches d’un matériau nanotube de carbone appelé Buckypaper, avec les nanoparticules de silicium pris en sandwich entre les deux.
Avec ce genre d’emballage interne, même si les particules de silicium se décomposent, ils sont « toujours dans le sandwich », a déclaré Podila.
« Les feuilles autoportantes de nanotubes de carbone maintiennent les nanoparticules de silicium reliées électriquement les unes aux autres », a déclaré Shailendra Chiluwal, étudiante diplômée au CNI et première auteure de l’étude.
« Ces nanotubes forment une structure quasi tridimensionnelle, retiennent les nanoparticules de silicium même après 500 cycles et atténuent la résistance électrique résultant de la rupture des nanoparticules. »
L’utilisation de batteries en silicium et d’autres nanomatériaux augmente non seulement la capacité, mais permet également de recharger les batteries à un courant plus élevé, ce qui se traduit par des temps de charge plus rapides. Comme toute personne dont le téléphone portable est déjà mort au milieu d’un appel téléphonique sait, c’est une caractéristique importante pour la technologie de la batterie.
La charge plus rapide est possible parce que les nouvelles batteries utilisent également des nanotubes comme un mécanisme tampon qui permet de charger à un taux quatre fois plus rapide que ce qui est actuellement possible.
Des batteries plus légères qui se rechargent plus rapidement et offrent une efficacité considérablement accrue seront non seulement une aubaine pour les astronautes portant des combinaisons à piles, mais aussi pour les scientifiques et les ingénieurs qui doivent amener les astronautes à destination.
« Le silicium comme anode dans une batterie lithium-ion représente le « Saint Graal » pour les chercheurs dans ce domaine », a déclaré Rao, directeur du CNI et le chercheur principal sur la subvention de la NASA. Rao a également déclaré que les nouvelles batteries vont bientôt trouver leur chemin dans les véhicules électriques.
« Notre prochain objectif est de collaborer avec des partenaires industriels pour traduire cette technologie basée sur les laboratoires sur le marché », a déclaré Podila, auteur correspondant de l’étude et un co-chercheur sur la subvention de la NASA. « Nous remercions la NASA et l’EPSCoR de Caroline du Sud d’avoir décerné un prix pour entreprendre de tels projets qui auront un impact durable sur les missions spatiales et le paysage énergétique mondial. »
