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Accumulateurs lithium-ion – caractérisation et design

 

Les accumulateurs lithium-ion sont des accumulateurs d’énergie largement répandus. Dans ce projet, Vanessa Wood et son équipe ont développé une méthode permettant d’étudier le transport des ions lithium dans le matériau actif et de tester de nouvelles possibilités d’utiliser efficacement et en toute sécurité ces nanoparticules dans les accumulateurs lithium-ion.

Contexte (projet de recherche terminé)

Les accumulateurs lithium-ion stockent énormément d’énergie dans très peu d’espace et pour un poids minime et sont pour cette raison fréquemment utilisés comme batteries pour des appareils mobiles, tels que smartphone et ordinateur portable. Grâce à leur capacité de stockage élevée, ils sont aussi souvent utilisés comme batteries dans les véhicules électriques et permettent de stocker de grandes quantités d’énergies renouvelables.

Quand une batterie lithium-ion libère de l’énergie et se décharge, les ions lithium migrent de l’électrode positive à l’électrode négative à travers ce que l’on nomme le matériau actif de la batterie. Ce processus s’inverse lors du chargement de la batterie. Avec les matériaux actifs conventionnels, le déplacement des ions lithiums est comparativement lent. Mais si ce matériel est composé de nanoparticules, le trajet parcouru par les ions lithium est plus court, ce qui permet d’augmenter le temps de chargement, resp. de déchargement de la batterie. Les accumulateurs à base de nanomatériaux présentent toutefois aussi des inconvénients: le matériau actif à base de nanoparticules requiert plus de volume, ce qui impacte négativement la densité énergétique de la batterie. La surface des nanoparticules de lithium étant plus grande par rapport à leur volume que chez la forme conventionnelle du lithium, leur utilisation peut induire un vieillissement plus rapide de la batterie. Vanessa Wood et son équipe ont cherché des moyens d’utiliser des nanomatériaux, tout en contournant ces limitations.

Résultats

Dans ce projet, une technique radiographique a été établie (spectrométrie d’absorption de rayons x générés par synchrotron), qui permet une observation optimale et à haute définition du déplacement de chaque nanoparticule d’ion lithium.

Les chercheurs ont en outre tenté de trouver une solution pour utiliser plus efficacement les nanoparticules dans le matériau actif en augmentant la densité énergétique de l’accumulateur. Pour ce faire, ils ont associé, grâce à un procédé de pulvérisation et de séchage, les nanoparticules du matériau actif à des microparticules nanoporeuses. A l’aide de diverses techniques du procédé de séchage, les chercheurs ont influencé la structure et la porosité de ce micromatériau. Vanessa Wood et son équipe ont ainsi pu montrer que la performance de ce matériau actif à base de microparticules nanoporeuses était sensiblement supérieure à celle d’un matériau actif contenant des nanoparticules autonomes.

Importance

Ce projet met à jour de nouvelles possibilités d’exploiter les avantages des nanoparticules dans le matériau actif des batteries lithium-ion, d’augmenter leur performance et de conserver en même temps la densité énergétique typiquement élevée de ce type de batterie. De plus, une méthode a été mis au point qui permet une observation optimale du déplacement des ions dans le matériau actif. Les connaissances ainsi acquises contribuent de façon importante à ce que le potentiel de la nanotechnologie pour un stockage d’énergie innovant puisse être exploité au mieux.

Titre original

Development of «Lab-on-a-Chip» Tool for Rapid Assessment and Evaluation of Safety of Novel Nanoscale Active Materials for Next Generation Battery Systems

Direction du projet

  • Prof. Vanessa Wood

 

 

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 Contact

Prof. Vanessa Wood Departement Informationstechnologie und Elektrotechnik ETH Zürich Gebäude ETZ
Gloriastr. 35
8092 Zürich +41 44 632 66 54 wood@iis.ee.ethz.ch