Les chercheurs ont découvert que comprendre comment le savon nettoie peut éclairer le développement de batteries plus durables. La recherche révèle que les électrolytes localisés à haute concentration dans les batteries fonctionnent de la même manière que les micelles dans le savon. Cette compréhension pourrait améliorer la capacité de stockage d’énergie des batteries au lithium métal, marquant ainsi une avancée significative dans la technologie des batteries.
Les chercheurs ont découvert qu’un électrolyte très prometteur pour créer des batteries au lithium plus durables possède des nanostructures complexes, qui fonctionnent de la même manière que les micelles se comportent dans l’eau savonneuse.
Dans leur quête de développement de batteries plus durables, des chercheurs de l’Université Brown et de l’Idaho National Laboratory ont découvert que la réponse pourrait résider dans la compréhension de la façon dont les choses deviennent propres, en particulier comment le savon agit dans ce processus.
Prenez par exemple le lavage des mains. Lorsqu’une personne se lave les mains avec du savon, le savon forme des structures appelées micelles qui piègent et éliminent la graisse, la saleté et les germes lorsqu’ils sont rincés à l’eau. Le savon fait cela parce qu’il agit comme un pont entre l’eau et ce qui est nettoyé, en les liant et en les enveloppant dans ces structures micellaires.
En menant une nouvelle étude publiée dans Matériaux naturels, Les chercheurs ont remarqué qu’un processus similaire se déroule dans ce qui est devenu l’une des substances les plus prometteuses pour la conception de batteries au lithium plus durables : un nouveau type d’électrolyte appelé électrolyte localisé à haute concentration. Selon eux, cette nouvelle compréhension du fonctionnement de ce processus pourrait être la pièce manquante pour ouvrir complètement la porte à ce secteur technologique émergent.
Améliorer le stockage d’énergie dans les batteries
« L’essentiel est que nous voulons améliorer et augmenter la densité énergétique des batteries, c’est-à-dire la quantité d’énergie qu’elles stockent par cycle et le nombre de cycles que dure la batterie », a déclaré Yue Qi, professeur à la Brown’s School of Engineering. « Pour ce faire, les matériaux à l’intérieur des batteries traditionnelles doivent être remplacés pour faire des batteries longue durée qui stockent plus d’énergie une réalité – pensez aux batteries qui peuvent alimenter un téléphone pendant une semaine ou plus, ou aux véhicules électriques qui parcourent 500 miles. »
Les scientifiques travaillent activement à la transition vers des batteries à base de lithium métal, car elles ont une capacité de stockage d’énergie beaucoup plus élevée que les batteries lithium-ion actuelles. Le problème réside dans les électrolytes traditionnels, qui font partie intégrante car ils permettent à une charge électrique de passer entre les deux bornes d’une batterie, déclenchant la réaction électrochimique nécessaire pour convertir l’énergie chimique stockée en énergie électrique. Les électrolytes traditionnels pour batteries lithium-ion, qui sont essentiellement constitués de sel à faible concentration dissous dans un solvant liquide, ne le font pas efficacement dans les batteries à base de métal.
Électrolytes localisés à haute concentration
Des électrolytes localisés à haute concentration ont été conçus par des scientifiques de l’Idaho National Laboratory et du Pacific Northwest National Laboratory pour relever ce défi. Ils sont fabriqués en mélangeant de fortes concentrations de sel dans un solvant avec un autre liquide appelé diluant, ce qui améliore l’écoulement de l’électrolyte afin de maintenir la puissance de la batterie.
Jusqu’à présent, lors des tests en laboratoire, ce nouveau type d’électrolyte a montré des résultats prometteurs, mais son fonctionnement et son pourquoi n’ont jamais été entièrement compris – ce qui limite son efficacité et la manière dont il peut être mieux développé. C’est ce à quoi la nouvelle étude contribue à répondre.
« L’article fournit une théorie unifiée expliquant pourquoi cet électrolyte fonctionne mieux et la clé de sa compréhension est venue de la découverte que des structures de type micelle se forment au sein de cet électrolyte – comme elles le font avec le savon », a déclaré Bin Li, scientifique principal à Oak Ridge National. Laboratoire qui a travaillé sur l’étude. « Ici, nous voyons que le rôle du savon ou du tensioactif est joué par le solvant qui lie à la fois le diluant et le sel, en s’enroulant autour du sel à plus forte concentration au centre de la micelle. »
En comprenant cela, les chercheurs ont pu décomposer les ratios et les concentrations nécessaires pour provoquer les réactions optimales des batteries. Cela devrait aider à résoudre l’un des principaux problèmes liés à l’ingénierie de cet électrolyte, qui consiste à trouver le bon équilibre entre les trois ingrédients. En fait, les travaux fournissent non seulement de meilleures lignes directrices pour fabriquer des électrolytes localisés à haute concentration qui fonctionnent, mais aussi pour fabriquer des électrolytes qui fonctionnent encore plus efficacement.
Les chercheurs de l’Idaho National Laboratory ont mis cette théorie en pratique. Ce faisant, ils ont découvert que la théorie jusqu’à présent tient la route et contribue à prolonger la durée de vie des batteries au lithium métal. L’équipe est impatiente de voir quelles conceptions d’électrolytes localisés à haute concentration résultent de leurs travaux, mais sait que des progrès significatifs restent à faire pour surmonter le goulot d’étranglement de la conception des électrolytes pour les batteries haute densité. À l’heure actuelle, ils s’amusent à l’idée que le secret se trouve peut-être dans quelque chose d’aussi banal et quotidien que le savon.
« Le concept de micelle est peut-être nouveau pour l’électrolyte, mais il est en réalité très courant dans notre vie quotidienne », a déclaré Qi. « Maintenant, nous avons une théorie et des lignes directrices pour obtenir les interactions souhaitées entre le sel, le solvant et le diluant dans l’électrolyte, ainsi que la concentration à laquelle ils doivent être et la manière dont vous les mélangez. »
L’étude a été financée par le ministère américain de l’Énergie.
