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Un prototype de batterie a été conçu avec de l’eau salée et des matériaux non toxiques à charge rapide, ouvrant la voie à de nouveaux types de batterie.

Les principes de conception du nouveau prototype, qui change de couleur au fur et à mesure de son chargement, pourraient également être appliqués aux technologies de batterie existantes pour créer de nouveaux dispositifs de stockage d’énergie, de détection biologique et de matériaux intelligents à changement de couleur.

Les batteries les plus utilisées actuellement sont les batteries lithium-ion, qui ont une capacité relativement élevée quand elles sont très chargées, mais ne déchargent pas et ne rechargent pas leur énergie rapidement. Ils contiennent également des électrolytes organiques et d’autres matériaux potentiellement dangereux et inflammables, ce qui signifie qu’ils doivent être manipulés et éliminés avec soin.

Le nouveau prototype de batterie, développé par une équipe de chercheurs des départements de physique et de chimie de l’Imperial College London, utilise à la place des films minces de plastiques spécialement conçus et de la simple eau salée.

Même s’il peut contenir moins de charge que les batteries lithium-ion classiques, le prototype, composé de polymères – de longues chaînes de molécules constituant le plastique – peut se charger et se décharger en quelques secondes. Outre les avantages des matériaux qu’il utilise, il change également de couleur au fur et à mesure du chargement, ce qui permet aux utilisateurs de lire facilement l’état de charge de la batterie.

Le prototype, dont les détails ont été publiés dans Energy & Environmental Science, pourrait ouvrir la voie à une amélioration du taux de charge et de la toxicité des batteries existantes, ou constituer un moyen de créer de nouveaux types de batteries.

Développer des piles recyclables

Le Dr. Alexander Giovannitti, co-auteur principal, qui a travaillé sur le projet aux départements de physique et de chimie de l’Imperial, a déclaré: « Les matériaux que nous avons utilisés pour créer le prototype de batterie pourraient potentiellement être fabriqués à faible coût et combinés à l’utilisation des électrolytes à base d’eau non toxiques et non inflammables. Cette approche pourrait constituer un moyen viable de développer des batteries recyclables.  »

Les batteries avec un temps de charge plus court mais une capacité plus faible pourraient avoir une gamme d’applications où l’énergie doit être échangée rapidement, sans avoir besoin d’être petites, comme lorsque l’énergie du freinage de la voiture est utilisée quelques instants plus tard pour accélérer le véhicule.

La vidéo ci-dessus montre le prototype de la batterie en cours de chargement et de déchargement. Au fur et à mesure de son chargement, l’électrode positive (à gauche) passe du bleu profond au transparent, tandis que l’électrode négative (à droite) passe du vert au brun en passant au gris acier. Crédit: Imperial College London
À plus grande échelle, lorsque des technologies renouvelables telles que le solaire ou l’éolien sont utilisées dans le cadre d’un réseau national ou local, elles ne peuvent fournir de l’énergie que par intermittence. Un système de batterie capable de stocker cette énergie rapidement, mais également de la restituer au réseau en cas de besoin, contribuerait utilement à stabiliser l’approvisionnement.

L’équipe a déclaré que leur prototype aurait besoin de davantage de travail pour s’adapter à ces zones, mais que les principes qui sous-tendent sa conception pourraient s’appliquer à un large éventail de dispositifs de stockage d’énergie en cours de développement.

Concevoir de nouveaux matériaux

Les matériaux polymères ont déjà été utilisés avec succès dans des batteries, comme additifs apportant une flexibilité ou comme électrolytes séparant électrodes positives et négatives, mais leur utilisation en tant que matériaux actifs dans des électrodes de batterie fonctionnant dans l’eau s’est avérée difficile.

La percée provient de la conception de matériaux polymères capables de capter et de libérer des ions positifs ou négatifs de l’eau salée, rapidement et de manière réversible sans se dégrader. Ces ions sont attirés par des électrodes de charge opposée lors du chargement de l’appareil.

Les piles à base d’eau sont souhaitables en raison de leur non-toxicité, mais il a été difficile d’obtenir un échange réversible des ions dans l’eau avec les électrodes.

L’équipe a contourné ce problème en concevant des chaînes latérales à relier aux «dorsales» des polymères conducteurs. En utilisant des matériaux polaires pour les chaînes latérales, ils pourraient créer des électrodes ayant une grande affinité pour l’eau.

Grâce à ce principe, ils ont pu créer des électrodes positives et négatives capables d’héberger leurs ions opposés dans l’ eau – et ils disposaient des ingrédients pour une batterie. Comme le squelette en polymère était déjà flexible – en expansion et en contraction tandis que la batterie était chargée et déchargée – aucun additif n’était alors nécessaire.

Le Dr Davide Moia, coauteur de l’auteur, qui a terminé les travaux au département de physique de l’Imperial, a déclaré: « L’utilisation de l’eau salée élimine les problèmes de toxicité et d’inflammabilité, mais elle n’a pas été facile à utiliser car elle peut en limiter la quantité d’énergie que vous pouvez entrer et sortir d’un appareil par rapport à d’autres électrolytes organiques.

« Nous voulons maintenant tester jusqu’où cette limite peut être repoussée. Nous avons compensé la baisse des performances par une combinaison plus sûre de matériaux, mais l’amélioration des performances pourrait ouvrir la voie à de tout nouveaux types de dispositifs de stockage d’énergie viables, qui sont également sûrs et durables. »

Adaptation la Terre du Futur

source : https://techxplore.com/

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