Des scientifiques développent un nouveau matériau pour rendre les batteries au lithium-ion auto-cicatrisantes et facilement recyclables

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Les batteries au lithium-ion sont connues pour développer des courts-circuits électriques internes qui peuvent enflammer les électrolytes liquides d’une batterie, entraînant des explosions et des incendies.

Les ingénieurs de l'Université de l'Illinois ont cependant mis au point un électrolyte solide à base de polymère qui peut s'auto-cicatriser après un dommage - et le matériau peut également être recyclé sans l'utilisation de produits chimiques agressifs ou de températures élevées.


La nouvelle étude, qui pourrait aider les fabricants à produire des batteries commerciales recyclables et auto-cicatrisantes, est publiée dans le Journal de l'American Chemical Society .

Alors que les batteries lithium-ion passent par plusieurs cycles de charge et de décharge, elles développent de minuscules structures en forme de branches de lithium solide appelées dendrites, ont déclaré les chercheurs.

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Ces structures réduisent la durée de vie de la batterie, provoquent des points chauds et des courts-circuits électriques, et deviennent parfois suffisamment grandes pour perforer les parties internes de la batterie, provoquant des réactions chimiques explosives entre les électrodes et les liquides d'électrolyte.


Les chimistes et les ingénieurs ont poussé à remplacer les électrolytes liquides des batteries lithium-ion par des matériaux solides tels que la céramique ou les polymères, ont déclaré les chercheurs. Cependant, bon nombre de ces matériaux sont rigides et cassants, ce qui entraîne un mauvais contact électrolyte à électrode et une conductivité réduite.

«Les polymères conducteurs d'ions solides sont une option pour développer des électrolytes non liquides», a déclaré Brian Jing, étudiant diplômé en sciences des matériaux et en génie et co-auteur de l'étude. «Mais les conditions de température élevée à l'intérieur d'une batterie peuvent faire fondre la plupart des polymères, ce qui entraîne à nouveau des dendrites et des pannes.»


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Des études antérieures ont produit des électrolytes solides en utilisant un réseau de brins de polymère réticulés pour former un conducteur en lithium caoutchouteux. Cette méthode retarde la croissance des dendrites; cependant, ces matériaux sont complexes et ne peuvent pas être récupérés ou guéris après des dommages, a déclaré Jing.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont développé un électrolyte polymère en réseau dans lequel le point de réticulation peut subir des réactions d'échange et permuter les brins de polymère. Contrairement aux polymères linéaires, ces réseaux deviennent en fait plus rigides lors du chauffage, ce qui peut potentiellement minimiser le problème des dendrites, ont déclaré les chercheurs. De plus, ils peuvent être facilement décomposés et resolidifiés en une structure en réseau après des dommages, ce qui les rend recyclables, et ils restaurent la conductivité après avoir été endommagés car ils sont auto-cicatrisants.

Photo par L. Brian Stauffer / Université de l'Illinois

«Ce nouveau réseau polymère montre également la propriété remarquable que la conductivité et la rigidité augmentent avec le chauffage, ce qui n'est pas vu dans les électrolytes polymères conventionnels», a déclaré Jing.


«La plupart des polymères nécessitent des acides forts et des températures élevées pour se décomposer», a déclaré Christopher Evans, professeur en science des matériaux et en génie et auteur principal. «Notre matériau se dissout dans l'eau à température ambiante, ce qui en fait un procédé très économe en énergie et respectueux de l'environnement.»

Bien que les chercheurs reconnaissent que davantage de travail est nécessaire avant que le matériau puisse être utilisé dans des batteries comparables à ce qui est utilisé aujourd'hui, l'équipe a sondé la conductivité du nouveau matériau et a trouvé son potentiel en tant qu'électrolyte de batterie efficace particulièrement prometteur.

Réimprimé à partir du Université de l'Illinois à Urbana-Champaign News Bureau

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