Des chercheurs de l’Université de Purdue (West Lafayette, IN) développent de nouveaux systèmes de batteries à base de potassium, huit fois plus abondant que le lithium et dix fois moins cher.
« Avec le besoin croissant de batteries rechargeables pour les appareils électroniques, les véhicules électriques et les applications du réseau électrique, la durabilité et le coût du lithium deviennent préoccupant », explique Vilas G. Pol, professeur agrégé à la Davidson School of Chemical Engineering de Purdue. « L’énergie aléatoire générée par le sol et le vent exige de nouveaux systèmes de stockage d’énergie pour le réseau », dit-il. « Cependant, la disponibilité mondiale limitée de ressources en lithium et le coût élevé de l’extraction empêchent l’application de batteries au lithium-ion pour un tel stockage d’énergie à grande échelle. Cela nécessite des dispositifs de stockage d’énergie alternatifs qui sont basés sur des éléments abondants de la terre. » Il a travaillé avec le laboratoire national Oak Ridge du ministère américain de l’Énergie et l’Université nationale Cheng Kung à Taiwan. « Nous avons lancé ce programme il y a presque un an, et rares sont les groupes dans le monde qui travaillent sur des batteries à potassium-ion », ajoute-t-il.
Les chercheurs ont développé un nouveau concept d’anodes à l’aide de nanofibres de carbone plutôt que de graphite. Selon Pol, « Les nanofibres de carbone démontrent un grand potentiel en tant que matériau anodique pour les batteries au potassium ionique. Nous avons étudié des batteries soumises jusqu’à 1 900 cycles de charge-décharge, ce qui est assez remarquable. » Les nanofibres de carbone ont été créées selon un processus appelé « electrospinning », où une haute tension est utilisée pour tirer une solution polymère chargée entre deux électrodes ; les fibres polymères sont ensuite transformées en fibres de carbone.
Les batteries ont montré une « capacité raisonnable » après avoir été chargées pendant seulement six minutes, avec une capacité de 110 mAh par gramme, soit un tiers de la capacité acquise après 10 heures de charge conventionnelle en lithium-ion. « Habituellement, on obtient une capacité très limitée après seulement six minutes avec une batterie conventionnelle », explique Pol. « Cependant, les nanofibres de carbone permettent de recharger la batterie beaucoup plus rapidement car les ions parcourent une très courte distance. Une batterie de téléphone mobile typique contient des particules de 15 à 20 micromètres de diamètre, ce qui est une distance beaucoup plus importante que cette architecture nanofibre, et c’est pourquoi il faut deux à trois heures pour charger votre téléphone. »
La conception élimine la nécessité d’un liant ou d’un gel polymère pour maintenir la poudre de graphite en place. Un réseau de nanofibres maintient les particules de potassium, une approche qui pourrait diminuer le poids de la batterie. Des structures en forme de plaque de matériaux céramiques et conducteurs électriques, appelés « MXenes » ont également été utilisées pour créer un nouveau type de batterie au potassium-ion. Pendant le processus de charge, les ions sont forcés par un courant électrique de se déplacer entre les couches de l’anode carbone. Le plus grand diamètre atomique du potassium rend cela plus difficile, et les MXenes à base de carbonitrure de titane peuvent permettre aux chercheurs de contourner cet obstacle. « Habituellement, la céramique n’est pas active sur le plan électrochimique, mais les « MXenes » le sont parce que vous avez une structure en brique et que les ions peuvent être insérés entre ces briques pendant le chargement », explique Pol. « Nous avons vu que le potassium se charge et se décharge efficacement si vous harmonisez la morphologie et la structure du matériau ».
Source : www.smart2zero.com – Traduction Pascal MELOT.