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Un nouveau polymère rend les piles auto-réparatrices et recyclables

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Un électrolyte solide mis au point par des chercheurs de l'université de l'Illinois pourrait résoudre certains des problèmes posés par les batteries lithium-ion.

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L'un des grands problèmes des batteries lithium-ion actuelles est que les défauts de la batterie peuvent causer des problèmes électriques qui conduisent à des explosions et des incendies. C'est pourquoi les chercheurs ont essayé de trouver des moyens de prévenir la formation de ces défauts, appelés dendrites, et de les aider à se réparer s'ils se forment.

À cette dernière fin, des chercheurs de l'université de l'Illinois ont mis au point un nouvel électrolyte solide à base de polymère qui peut faire exactement cela. L'électrolyte, constitué d'un polymère solide au lieu d'un matériau liquide, ce qui est actuellement typique de ce type de piles, peut s'auto-réparer après une détérioration.

Les piles conçues avec cet électrolyte sont plus écologiques, car le polymère peut être recyclé sans avoir à utiliser des produits chimiques agressifs ou des températures élevées. "Chaque fois que vous pouvez faire en sorte que quelque chose se guérisse tout seul, cela signifie que vous n'avez pas à remplacer les choses aussi souvent, ce qui permet d'économiser du temps, de l'argent et de l'énergie", a déclaré Christopher Evans, professeur de science des matériaux et d'ingénierie à l'Université de l'Illinois, qui a dirigé les recherches, à Design News. "Dans les batteries, les défaillances ont tendance à être catastrophiques et la batterie cesse de fonctionner complètement. Notre objectif était de pouvoir essentiellement redémarrer la batterie après qu'elle ait cessé de fonctionner"

Depuis un certain temps, les chercheurs explorent l'utilisation de polymères solides et conducteurs d'ions comme option pour développer des électrolytes non liquides, a déclaré Brian Jing, un diplômé en science des matériaux et en ingénierie qui a travaillé avec M. Evans sur cette recherche. Cependant, les températures élevées à l'intérieur de la batterie ont tendance à faire fondre la plupart des polymères, ce qui entraîne la formation de dendrite et une défaillance potentielle de la batterie, a-t-il dit.

S'attaquer au problème

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont amélioré la conception précédente des scientifiques qui utilise un réseau de brins de polymère qui sont réticulés pour former un conducteur de lithium caoutchouteux. Cela peut retarder la croissance des dendrites, mais les matériaux utilisés sont trop complexes pour être récupérés ou guéris après un quelconque dommage.

L'équipe a abordé cette question en développant un électrolyte polymère en réseau avec un point de réticulation qui peut échanger des brins de polymère dans des réactions d'échange, a déclaré M. Evans. Contrairement aux efforts précédents visant à utiliser des polymères linéaires, ces réseaux deviennent en fait plus rigides lorsqu'ils sont chauffés. "Nous avons conçu un réseau de polymères qui est capable de réorganiser ses composants", a expliqué M. Evans à Design News. "Il a été fabriqué à partir de gycol d'éthylène et d'acide borique, des matériaux qui sont abondants et bon marché. Les liens qui en résultent peuvent s'échanger entre eux - par exemple, une chaîne d'éthylène glycol peut en déplacer une autre"

Cet effet peut potentiellement minimiser le problème de la dendrite, ainsi que démontrer que la conductivité et la rigidité augmentent avec le chauffage, ce que l'on ne voit pas dans les électrolytes polymères classiques, a déclaré M. Jing. Les brins de polymère peuvent également se décomposer facilement et se resolidifier en une structure en réseau après avoir été endommagés, ce qui leur confère leur qualité de recyclage, ainsi que de restaurer la conductivité par auto-guérison, a-t-il ajouté.

Le chemin à suivre

L'équipe a publié un article sur ses travaux dans le Journal of the American Chemical Society.

Les chercheurs ont testé la conductivité du nouveau matériau et ont trouvé que son potentiel en tant qu'électrolyte efficace pour les batteries était prometteur. Ils ont toutefois reconnu que des recherches supplémentaires étaient nécessaires pour rendre l'électrolyte comparable en termes de performance à ceux utilisés actuellement. Néanmoins, M. Evans a déclaré que si le matériau était conçu spécifiquement pour les batteries, il "pouvait également être appliqué à tout système énergétique pertinent comme les piles à combustible ou les supercondensateurs où l'autoréparation serait avantageuse"

L'équipe prévoit de poursuivre ses travaux pour tester l'électrolyte dans diverses conditions et évaluer plus avant ses utilisations potentielles. "La prochaine étape consiste à explorer de nouvelles chimies et de nouvelles liaisons pour voir comment elles peuvent traiter les environnements humides ou les solutions hautement acides/basiques afin d'élargir le champ des applications", a déclaré M. Evans.