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Une batterie lithium-ion aqueuse haute performance est plus sûre que les modèles actuels

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Une nouvelle batterie des chercheurs de Rensselaer se charge rapidement, utilise des matériaux respectueux de l'environnement et convient bien aux applications compactes.

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Les chercheurs ont mis au point une nouvelle conception de batterie aqueuse qui pourrait résoudre certains des problèmes de performance et de fabrication actuellement associés aux batteries lithium-ion, tout en offrant une alternative de petite taille et à charge rapide aux batteries actuelles.

Une équipe d'ingénieurs du Rensselaer Polytechnic Institute a utilisé une électrode aqueuse au lieu d'une électrode organique typique dans leur conception, ce qui présente plusieurs avantages par rapport aux batteries actuelles largement utilisées aujourd'hui dans tout, des smartphones aux appareils électroniques portables en passant par les véhicules électriques, a déclaré Nikhil Koratkar, professeur de génie mécanique, aérospatial et nucléaire à Rensselaer. "Contrairement aux piles traditionnelles, les piles aqueuses ne peuvent jamais prendre feu", a-t-il déclaré à Design News. "En outre, les batteries aqueuses sont beaucoup moins chères, car l'eau est peu coûteuse par rapport aux solvants organiques utilisés dans les électrolytes de batterie actuels"

En effet, comme l'eau est l'un des éléments de base de la batterie, il est beaucoup plus facile de se débarrasser des appareils une fois qu'ils ne sont plus utilisés, a déclaré M. Koratkar, également professeur de science des matériaux à l'institut. "L'eau peut être jetée, alors que les solvants organiques sont souvent toxiques et nécessitent un recyclage soigneux", nous a-t-il dit.

Les batteries aqueuses présentent également des avantages dans le processus de fabrication, ce qui les rend plus intéressantes que les modèles actuels. Les batteries traditionnelles sont souvent assemblées dans une pièce sèche, car l'électrolyte est sensible à l'humidité, a déclaré M. Koratkar. "Cependant, si l'eau est utilisée comme électrolyte, alors aucune condition de pièce sèche n'est nécessaire", nous a-t-il dit.

Surmonter les obstacles

Les chercheurs ont réussi à obtenir des performances élevées dans leur conception de batterie aqueuse, ce qu'ils ont réussi à faire en surmontant les limites précédentes de ces conceptions, a déclaré M. Koratkar.

Les batteries aqueuses ont historiquement eu du mal à maintenir leurs performances à cause de ce qu'on appelle le "dégazage", a déclaré M. Koratkar. Cela se produit si vous appliquez trop de tension à l'eau qu'elle électrolyse ; l'eau se décompose en hydrogène et en oxygène, ce qui entraîne une consommation de l'électrolyte. C'est pourquoi les piles aqueuses ont traditionnellement une fenêtre de tension limitée.

Pour résoudre ce problème, l'équipe a utilisé un type spécial d'électrolyte aqueux connu sous le nom d'électrolyte eau-dans-sel, qui est moins susceptible de s'électrolyser. Ils ont également utilisé de nouveaux matériaux pour la cathode et l'anode-oxyde de lithium-manganèse pour la première, et oxyde de niobium-tungstène pour la seconde, qui est un oxyde complexe qui n'a jamais été utilisé auparavant.

"Nous avons constaté que la densité énergétique volumétrique des électrodes en oxyde de niobium et de tungstène est exceptionnelle en raison de sa haute densité et de son tassement dense", a déclaré M. Koratkar. "De plus, il offre une capacité de charge très rapide grâce à la diffusion ultra-rapide du lithium dans des canaux (ou tunnels) au sein de la structure d'oxyde"

Stockage rapide et sûr de l'énergie

Cette combinaison de capacité de charge rapide et de capacité à stocker une grande quantité de charge par unité de volume est rare dans les piles aqueuses.

Les chercheurs ont publié un article sur leurs travaux dans la revue Energy Storage Materials.

L'équipe envisage la conception de leur batterie bien adaptée aux applications dans lesquelles l'énergie doit être stockée dans des espaces compacts, comme dans les smart phones, les ordinateurs portables, le stockage en réseau dans les zones urbaines, et "même dans les applications automobiles où la batterie peut occuper presque toute la taille du coffre", a déclaré M. Koratkar. "La capacité de charge rapide est également très importante dans les applications modernes"

L'équipe prévoit de poursuivre ses travaux sur la batterie pour améliorer ses performances gravimétriques en remplaçant certains des éléments les plus lourds comme le niobium et le tungstène par des éléments plus légers, nous a dit M. Koratkar. Les chercheurs visent également à augmenter la tension de fonctionnement de la batterie pour améliorer encore la densité d'énergie et de puissance. "Tous nos tests à ce jour sont effectués dans des cellules de pièces de monnaie", a déclaré M. Koratkar. "En fin de compte, nous voulons montrer la preuve de concept dans des facteurs de forme plus importants, comme la poche et les cellules cylindriques"