Publié à l'origine sur l'Office of Science du Département américain de l'énergie. Laboratoires nationaux du Département de l'énergie, SLAC, Stanford Education News
L'ajout de polymères et d'ignifugation aux collecteurs de courant d'une batterie la rend plus légère, plus sûre et environ 20 % plus efficace. Menlo Park, Californie . — Dans une toute nouvelle approche visant à rendre les batteries lithium-ion plus légères, plus sûres et plus efficaces, des scientifiques de l'Université de Stanford et du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du Département de l'énergie ont repensé l'un des composants de batterie les plus lourds - des feuilles de cuivre ou d'aluminium connues sous le nom de courant collectionneurs - ils pèsent donc 80% de moins et éteignent immédiatement tous les incendies qui se déclarent.Si elle est adoptée, selon les chercheurs, cette technologie pourrait répondre à deux objectifs majeurs de la recherche sur les batteries :étendre l'autonomie des véhicules électriques et réduire le risque que les ordinateurs portables, téléphones portables et autres appareils ne s'enflamment. Ceci est particulièrement important lorsque les batteries sont chargées très rapidement, ce qui crée davantage de types de dommages aux batteries pouvant entraîner des incendies.
L'équipe de recherche a décrit son travail dans Nature Energy aujourd'hui.
"Le collecteur de courant a toujours été considéré comme un poids mort, et jusqu'à présent, il n'a pas été exploité avec succès pour augmenter les performances de la batterie", a déclaré Yi Cui, professeur au SLAC et à Stanford et chercheur au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES ) qui a dirigé la recherche.
"Mais dans notre étude, rendre le collecteur 80% plus léger a augmenté la densité d'énergie des batteries lithium-ion - la quantité d'énergie qu'elles peuvent stocker dans un poids donné - de 16 à 26%. C'est un bond en avant par rapport à l'augmentation moyenne de 3 % enregistrée ces dernières années."
Les scientifiques de Stanford et du SLAC ont repensé les conducteurs de courant - des feuilles métalliques minces qui distribuent le courant vers et depuis les électrodes - pour rendre les batteries lithium-ion plus légères, plus sûres et plus efficaces. Ils ont remplacé le conducteur entièrement en cuivre, au milieu, par une couche de polymère léger recouvert de cuivre ultra-mince (en haut à droite) et un ignifuge intégré dans la couche de polymère pour éteindre les flammes (en bas à droite). (Yusheng Ye/Université de Stanford)
Qu'elles se présentent sous forme de cylindres ou de poches, les batteries lithium-ion disposent de deux collecteurs de courant, un pour chaque électrode. Ils distribuent le courant entrant ou sortant de l'électrode et représentent 15% à 50% du poids de certaines batteries haute puissance ou ultrafines. Réduire le poids d'une batterie est souhaitable en soi, permettant des appareils plus légers et réduisant le poids que les véhicules électriques doivent transporter ; stocker plus d'énergie par poids donné permet à la fois aux appareils et aux véhicules électriques de tenir plus longtemps entre les charges.
La réduction du poids et de l'inflammabilité des batteries pourrait également avoir un impact important sur le recyclage en rendant le transport des batteries recyclées moins coûteux, a déclaré Cui.
Les chercheurs de l'industrie des batteries ont essayé de réduire le poids des collecteurs de courant en les rendant plus fins ou plus poreux, mais ces tentatives ont eu des effets secondaires indésirables, comme rendre les batteries plus fragiles ou chimiquement instables ou nécessiter plus d'électrolyte, ce qui augmente le coût. , a déclaré Yusheng Ye, un chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Cui qui a mené les expériences avec le chercheur invité Lien-Yang Chou.
En ce qui concerne la question de la sécurité, il a déclaré :"Les gens ont également essayé d'ajouter un ignifuge à l'électrolyte de la batterie, qui est la partie inflammable, mais vous ne pouvez en ajouter qu'une quantité limitée avant qu'il ne devienne visqueux et ne conduise plus bien les ions."
Un collecteur de courant repensé pour les batteries lithium-ion rend les batteries plus légères, plus économes en énergie et plus sûres. Cela pourrait également réduire les coûts en remplaçant le cuivre par un polymère moins cher et en réduisant le coût de transport des batteries pour le recyclage. (Greg Stewart/Laboratoire national des accélérateurs SLAC)
Après avoir réfléchi au problème, Cui, Ye et l'étudiant diplômé Yayuan Liu ont conçu des expériences pour fabriquer et tester des collecteurs de courant basés sur un polymère léger appelé polyimide, qui résiste au feu et aux températures élevées créées par la charge rapide de la batterie. Un ignifuge - le phosphate de triphényle ou TPP - a été intégré dans le polymère, qui a ensuite été recouvert sur les deux surfaces d'une couche ultrafine de cuivre. Le cuivre ferait non seulement son travail habituel de distribution de courant, mais protégerait également le polymère et son ignifuge.
Ces changements ont réduit le poids du collecteur de courant de 80% par rapport aux versions actuelles, a déclaré Ye, ce qui se traduit par une augmentation de la densité d'énergie de 16 à 26% dans divers types de batteries, et il conduit le courant aussi bien que les collecteurs ordinaires sans dégradation.
Lorsqu'elles sont exposées à une flamme nue, les batteries lithium-ion en poche fabriquées avec les collecteurs de courant commerciaux d'aujourd'hui (rangée du haut) prennent feu et brûlent vigoureusement jusqu'à ce que tout l'électrolyte soit brûlé. Les batteries avec les nouveaux collecteurs ignifuges (rangée du bas) ont produit de faibles flammes qui se sont éteintes en quelques secondes et ne se sont pas rallumées même lorsque les scientifiques ont essayé de les rallumer. (Yusheng Ye/Université de Stanford)
Lorsqu'elles sont exposées à une flamme nue d'un briquet, les piles de poche fabriquées avec les collecteurs de courant commerciaux d'aujourd'hui ont pris feu et ont brûlé vigoureusement jusqu'à ce que tout l'électrolyte soit brûlé, a déclaré Ye. Mais dans les batteries avec les nouveaux collecteurs ignifuges, le feu ne s'est jamais vraiment allumé, produisant des flammes très faibles qui se sont éteintes en quelques secondes et ne se sont pas rallumées même lorsque les scientifiques ont essayé de le rallumer.
L'un des grands avantages de cette approche, a déclaré Cui, est que le nouveau collecteur devrait être facile à fabriquer et également moins cher, car il remplace une partie du cuivre par un polymère peu coûteux. Donc, le mettre à l'échelle pour la production commerciale, a-t-il dit, "devrait être très faisable". Les chercheurs ont déposé une demande de brevet auprès de Stanford, et Cui a déclaré qu'ils contacteraient les fabricants de batteries pour explorer les possibilités.
Ce travail a été soutenu par le Bureau de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables du DOE, Bureau des technologies des véhicules dans le cadre du programme XCEL (eXtreme Fast Charge Cell Evaluation of Lithium-ion Batteries).
Citation : Yusheng Ye et al., Énergie de la nature , 15 octobre 2020 (10.1038/s41560-020-00702-8)
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