Recherchez sur tout Techno-Science.net
       
Techno-Science.net : Suivez l'actualité des sciences et des technologies, découvrez, commentez
Posté par Redbran le Lundi 27/11/2017 à 12:00
Des batteries plus performantes et plus sûres
Des chercheurs de l’Empa et de l’Université de Genève ont mis au point un premier prototype de batterie solide au sodium promettant de stocker toujours plus d’énergie.



Composition de la batterie au sodium solide. © Empa


Téléphones et ordinateurs portables, voitures (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes ou de marchandises,...) électriques, les batteries sont partout. Et pour répondre aux attentes du consommateur, elles sont toujours plus légères, gagnant en puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) et en autonomie. Aujourd’hui, c’est la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) Lithium-ion (Les accumulateurs à base de lithium utilisent des technologie en cours de mise au point, présentant un très important potentiel électrochimique. On distingue la technologie...) qui est la plus utilisée dans le commerce. Mais cette technologie a un coût élevé et les batteries actuelles sont potentiellement inflammables. Pour répondre à la demande croissante des nouveaux marchés émergents (voitures électriques, stockage des énergies renouvelables, etc.), des chercheurs de l’Empa, les Swiss Federal Laboratories for Materials Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour...) and Technology, et de l’Université de Genève (UNIGE), ont créé un prototype de batterie dite «tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) solide», promettant de stocker toujours plus d’énergie tout en gardant un haut niveau de sécurité et de fiabilité. De plus, la batterie est basée sur le sodium, une alternative bon marché aux batteries au lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.). Ces résultats sont à lire dans la revue Energy and Environmental Science.

Pour qu’une pile fonctionne, elle doit être constituée de trois éléments principaux: l’anode (L'anode est l'électrode où a lieu une réaction électrochimique d'oxydation (menant à la production d'électrons) par opposition à la cathode...) (le pôle négatif), la cathode (La cathode est une électrode siège d'une réduction, que l'on qualifie alors de réduction cathodique. Elle correspond à la borne positive...) (le pôle positif) et l’électrolyte. Dans nos appareils électroniques actuels, la majorité des batteries sont basées sur les ions de lithium. Lorsque la batterie se recharge, les ions de lithium quittent la cathode et passent à l’anode. Pour éviter la formation de dendrites de lithium – sortes de microscopiques stalagmites qui peuvent provoquer des courts-circuits dans la batterie, avec un risque d’inflammation (Une inflammation est une réaction de défense immunitaire stéréotypée du corps à une agression : infection, brûlure, allergie…) – les batteries du commerce utilisent du graphite comme anode, et non pas de lithium métallique, même si ce métal ultra (ULTra (pour (en)« Urban Light Transport ») est un système de transport individuel de type Personal Rapid Transit (PRT), autrement dit un moyen de transport automatique collectif léger permettant de se...) léger permettrait d’augmenter la quantité d’énergie pouvant être stockée.

Afin de répondre à la demande croissante des marchés émergents et de proposer des batteries toujours plus performantes (recharge rapide, quantité d’énergie stockée et sécurité accrues), les chercheurs de l’Empa et de l’UNIGE se sont intéressés aux avantages d’une batterie «solide». Cette solution permet d’utiliser une anode métallique en bloquant la formation de dendrites et permet donc de stocker davantage d’énergie tout en garantissant la sécurité.

Une batterie non inflammable au sodium solide

«Mais il nous fallait encore trouver un conducteur ionique solide approprié qui soit stable chimiquement, thermiquement, non toxique, et qui permette au sodium de se déplacer facilement entre l’anode et la cathode», explique Hans Hagemann, professeur au Département de chimie physique (La chimie physique est l’étude des bases physiques des systèmes chimiques et des procédés. En particulier, la description énergétique des diverses transformations fait...) de la Faculté des sciences de l’UNIGE. Les chercheurs ont ainsi découvert qu’une substance à base de bore (Le bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.), le closoborane, permet non seulement une bonne circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) du sodium, mais encore est un conducteur non organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone :...), ôtant de ce fait tout risque d’inflammabilité de la batterie lors de la recharge. Un matériau aux nombreuses propriétés prometteuses.

«La difficulté était alors d’établir un contact intime entre les trois couches de la batterie: l’anode, constituée de sodium métallique solide, la cathode, un oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également l'ion oxyde O2-.) mixte de sodium et de chrome (Le chrome est un élément chimique de symbole Cr et de numéro atomique 24.) trivalent, et l’électrolyte, le closoborane», ajoute Léo Duchêne, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de...) au Laboratoire Materials for Energy Conversion de l’Empa et doctorant (Un doctorant est un chercheur débutant s'engageant, sous la supervision d'un directeur de thèse, dans un projet de recherche sur une durée...) au Département de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la...) de la Faculté des sciences de l’UNIGE. Les chercheurs ont pour ce faire dissout une partie de l’électrolyte de la batterie dans un solvant, avant d’ajouter de la poudre (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent sous forme de petits morceaux, en général de taille...) d’oxyde de sodium et de chrome trivalent. Une fois le solvant évaporé, ils ont empilé cette poudre compacte avec l’électrolyte et l’anode et pressé les différentes couches pour constituer la batterie.

La batterie a ensuite été testée par les chercheurs de l’Empa et de l’UNIGE. «La stabilité électrochimique de l’électrolyte que nous employons ici supporte une tension (La tension est une force d'extension.) de 3 volts, alors que beaucoup d’électrolytes solides précédemment étudiés sont dégradés par un tel voltage», précise Arndt Remhof, chercheur à l’Empa, qui dirige ce projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité de...) soutenus par le Fond National Suisse (FNS) et le Centre Suisse de la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) pour le stockage de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) et d’électricité (SCCER-HaE). Les scientifiques ont également testé la batterie sur un cycle de 250 recharges et 85% de la capacité énergétique était encore fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions. Initialement, le terme désignait les fonctions qui en...). «Mais il faut 1200 cycles pour que la batterie soit commercialisable, précisent les chercheurs. De plus, nous devons encore la tester à température ambiante, afin de confirmer que des dendrites ne se forment pas, tout en augmentant encore le voltage. Nos expériences sont donc encore en cours.»

Contacts chercheurs:
- Léo Duchêne (EMPA et UNIGE)
- Hans Hagemann (UNIGE)

Voir aussi: Une start-up pour des batteries de plus en plus rapides

Commentez et débattez de cette actualité sur notre forum Techno-Science.net. Vous pouvez également partager cette actualité sur Facebook, Twitter et les autres réseaux sociaux.
Icone partage sur Facebook Icone partage sur Twitter Partager sur Messenger Icone partage sur Delicious Icone partage sur Myspace Flux RSS
Source: Université de Genève (UNIGE)