Le caoutchouc devrait remplacer les matériaux traditionnels pour devenir le matériau clé de la prochaine génération de batteries à semi-conducteurs

Pour que les véhicules électriques (VE) se généralisent, ils ont besoin de batteries économiques, plus sûres et plus durables qui n'explosent pas et ne nuisent pas à l'environnement pendant leur utilisation. Les chercheurs du Georgia Institute of Technology ont peut-être trouvé une alternative prometteuse aux batteries lithium-ion conventionnelles :caoutchouc.

Les élastomères, ou caoutchouc synthétique, sont largement utilisés dans les produits de consommation et les technologies de pointe telles que l'électronique portable et les robots souples en raison de leurs propriétés mécaniques supérieures. Les chercheurs ont découvert que lorsque le matériau est formulé dans une structure 3D, il agit comme une autoroute pour le transport rapide des ions lithium, avec une ténacité mécanique supérieure qui permet aux batteries de se charger plus longtemps et d'aller plus loin. La recherche a été menée en collaboration avec le Korea Advanced Institute of Science and Technology et est publiée dans la revue Nature.

Dans une batterie lithium-ion conventionnelle, les ions sont déplacés par un électrolyte liquide. Cependant, ces batteries sont intrinsèquement instables : même le moindre dommage peut fuir dans les électrolytes, entraînant une explosion ou un incendie. Les problèmes de sécurité ont forcé l'industrie à se concentrer sur les batteries à semi-conducteurs, qui peuvent être fabriquées à l'aide de matériaux céramiques inorganiques ou de polymères organiques.
"La plupart des industries se concentrent sur la construction d'électrolytes solides inorganiques. Mais ils sont difficiles à fabriquer, coûteux et peu écologiques ", explique Seung Woo Lee, professeur agrégé à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering qui faisait partie d'une équipe de recherche. qui a trouvé un polymère organique à base de caoutchouc supérieur aux autres matériaux. Les électrolytes polymères solides continuent de susciter un grand intérêt en raison de leur faible coût de fabrication, de leurs propriétés non toxiques et douces. Cependant, les électrolytes polymères classiques n'ont pas une conductivité ionique et une stabilité mécanique suffisantes pour assurer un fonctionnement fiable des batteries à l'état solide.
La nouvelle conception 3D apporte un saut dans la densité d'énergie et la performance
Les ingénieurs de Georgia Tech ont utilisécaoutchoucélectrolytes pour résoudre les problèmes courants (transport lent des ions lithium et mauvaises propriétés mécaniques). La percée clé consistait à permettre aux matériaux de former des phases cristallines plastiques tridimensionnelles (3D) interconnectées dans une matrice de caoutchouc robuste. Cette structure unique apporte une conductivité ionique élevée, d'excellentes propriétés mécaniques et une stabilité électrochimique.
L'électrolyte en caoutchouc peut être fabriqué à basse température à l'aide d'un processus de polymérisation simple qui produit une interface ferme et lisse sur la surface de l'électrode. Ces propriétés uniques de l'électrolyte en caoutchouc empêchent la croissance des dendrites de lithium et permettent un mouvement plus rapide des ions, permettant aux batteries à semi-conducteurs de fonctionner de manière fiable même à température ambiante.
Caoutchouc, utilisé partout pour ses hautes propriétés mécaniques, nous permettra de fabriquer des batteries moins chères, plus fiables et plus sûres. Une conductivité ionique plus élevée signifie que vous pouvez déplacer plus d'ions en même temps, et en augmentant l'énergie spécifique et la densité d'énergie de ces batteries, vous pouvez augmenter l'autonomie du véhicule électrique.

Les chercheurs travaillent maintenant sur des moyens d'améliorer les performances de la batterie, d'augmenter son temps de cycle et de réduire le temps de charge grâce à une meilleure conductivité ionique. Jusqu'à présent, leurs efforts ont abouti à deux améliorations des performances/temps de cycle de la batterie.

Ce travail pourrait renforcer la réputation de la Géorgie en tant que centre d'innovation pour les véhicules électriques. SK Innovation, une société énergétique et pétrochimique mondiale, finance des recherches supplémentaires sur les matériaux électrolytiques dans le cadre de sa collaboration continue avec l'Institut pour construire des batteries à semi-conducteurs de nouvelle génération qui sont plus sûres et plus énergivores que les batteries lithium-ion traditionnelles. SK Innovation a récemment annoncé la construction d'une nouvelle usine de batteries pour véhicules électriques à Commerce, en Géorgie, qui devrait produire 21,5 gigawattheures de batteries lithium-ion par an d'ici 2023.
Les batteries entièrement à semi-conducteurs pourraient grandement améliorer le kilométrage et la sécurité des véhicules électriques. Les entreprises de batteries à croissance rapide, y compris SK Innovation, considèrent la commercialisation de batteries entièrement à semi-conducteurs comme un changeur de jeu pour le marché des véhicules électriques. Kyounghwan Choi, directeur du centre de recherche sur les batteries de nouvelle génération de SK Innovation, a déclaré : « Il y a de grands espoirs pour l'application et la commercialisation rapides des batteries entièrement à l'état solide grâce au projet en cours en collaboration avec SK Innovation et le professeur Seung Woo Lee du Georgia Institute. de la technologie."