De meilleures batteries issues de la recherche du laboratoire Lawrence Berkeley

Jul 11, 2023

https://cleantechnica.com/2022/11/24/byd-may-begin-sodium-ion-battery-production-in-2023/

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Une équipe de recherche dirigée par Gao Liu, scientifique principal dans le domaine des technologies énergétiques du Lawrence Berkeley Lab, a récemment publié un article dans la revue Nature Energy dans lequel elle rend compte d'une nouvelle technologie qui pourrait réduire le coût des batteries lithium-ion et prolonger leur durée de vie. durée de vie. Voici le résumé :

Les polymères électriquement conducteurs ont trouvé des applications croissantes dans les dispositifs de conversion et de stockage d’énergie. Dans la conception conventionnelle de polymères conducteurs, des fonctionnalités organiques sont introduites via des approches synthétiques ascendantes pour améliorer des propriétés spécifiques par modification des polymères individuels. Malheureusement, l’ajout de groupes fonctionnels entraîne des effets contradictoires, limitant leur synthèse à grande échelle et leurs applications étendues.

Nous montrons ici un polymère conducteur avec des éléments de base primaires simples qui peuvent être traités thermiquement pour développer des structures ordonnées hiérarchiquement (HOS) avec des morphologies nanocristallines bien définies. Notre approche visant à construire du HOS permanent dans des polymères conducteurs conduit à une amélioration substantielle des propriétés de transport de charge et de la robustesse mécanique, qui sont essentielles pour les batteries lithium-ion pratiques.

Enfin, nous démontrons que les polymères conducteurs avec HOS permettent des performances de cyclage exceptionnelles de cellules complètes avec des anodes à base de SiOx de taille micronique à haute charge, offrant des capacités surfaciques de plus de 3,0 mAh cm−2 sur 300 cycles et une efficacité coulombienne moyenne de > 99,95 %. .

« Cette avancée ouvre une nouvelle approche pour développer des batteries pour véhicules électriques qui sont plus abordables et plus faciles à fabriquer », a déclaré Liu. La grande nouveauté ici est que le revêtement dit HOS-PFM conduit à la fois les électrons et les ions, ce qui garantit la stabilité de la batterie et des taux de charge/décharge élevés tout en améliorant la durée de vie de la batterie. Le revêtement s'avère également prometteur en tant qu'adhésif pour batterie, susceptible de prolonger la durée de vie d'une batterie lithium-ion d'une moyenne de 10 ans à environ 15 ans, a-t-il ajouté.

Crédit : Jenny Nuss, Berkeley Lab

Voici la légende du graphique ci-dessus provenant du Berkeley Lab :

« Avant le chauffage : à température ambiante (20 degrés Celsius), les chaînes terminales alkyle (lignes ondulées noires) sur la chaîne polymère PFM limitent le mouvement des ions lithium (cercles rouges).

« Lorsqu’elles sont chauffées à environ 450 degrés Celsius (842 degrés Fahrenheit), les chaînes terminales alkyles fondent, créant des sites « collants » vacants (lignes ondulées bleues) qui « s’accrochent » aux matériaux en silicium ou en aluminium au niveau atomique. Les chaînes polymères du PFM s'auto-assemblent ensuite en brins ressemblant à des spaghettis appelés « structures hiérarchiquement ordonnées » ou HOS.

« Telle une autoroute atomique, les brins HOS-PFM permettent aux ions lithium de faire du stop avec les électrons (cercles bleus). Ces ions lithium et ces électrons se déplacent en synchronisme le long des chaînes polymères conductrices alignées.

Si vous suivez jusqu'à présent, continuez à lire. Pour démontrer les propriétés conductrices et adhésives supérieures du HOS-PFM, Liu et son équipe ont enduit des électrodes d'aluminium et de silicium avec du HOS-PFM et ont testé leurs performances dans une configuration de batterie lithium-ion. Le silicium et l'aluminium sont des matériaux d'électrode prometteurs pour les batteries lithium-ion en raison de leur capacité de stockage d'énergie potentiellement élevée et de leur légèreté. Mais ces matériaux bon marché et abondants s’usent rapidement après plusieurs cycles de charge/décharge.

Au cours d'expériences à l'Advanced Light Source et à la Molecular Foundry, qui fait partie du Lawrence Berkeley Lab, les chercheurs ont démontré que le revêtement HOS-PFM empêche de manière significative la dégradation des électrodes à base de silicium et d'aluminium pendant le cycle de la batterie tout en offrant une capacité de batterie élevée sur 300 cycles, un taux de performance comparable aux électrodes de pointe actuelles.

Les résultats sont impressionnants, a déclaré Liu, car les cellules lithium-ion à base de silicium durent généralement un nombre limité de cycles de charge/décharge et une durée de vie calendaire. Les chercheurs ont démontré avec succès que le revêtement HOS-PFM empêche de manière significative la dégradation des électrodes à base d'aluminium pendant le cycle de la batterie tout en offrant une capacité de batterie élevée sur 300 cycles. « Cette avancée ouvre une nouvelle approche pour développer des batteries pour véhicules électriques qui sont plus abordables et plus faciles à fabriquer », a déclaré Gao.