Graphène et piles

La technologie des batteries évolue rapidement, avec des dizaines de produits chimiques alternatifs concurrents remettant en question la domination des batteries lithium-ion

Le graphène est un matériau prometteur pour une utilisation dans les batteries en raison de sa conductivité électrique et thermique élevée. Une découverte récente réalisée par des chercheurs de l'Université de Swansea, en collaboration avec l'Université de technologie de Wuhan et l'Université de Shenzhen, pourrait ouvrir la voie à l'utilisation du graphène dans les batteries lithium-ion, contribuant ainsi à les maintenir comme technologie de batterie dominante par rapport aux produits chimiques alternatifs, y compris le graphène. -piles à base de.

La publication des chercheurs dans Nature Chemical Engineering détaille le premier protocole réussi pour fabriquer des feuilles de graphène sans défauts à l'échelle commerciale. La méthode peut être utilisée pour créer des feuilles de graphène d’une longueur allant de mètres à kilomètres. Dans un laboratoire non conçu pour la production de masse, ils ont réussi à créer une feuille de graphène de 200 mètres de long et d'une épaisseur de 17 micromètres. La feuille est également très résistante et il a été démontré qu'elle conserve une conductivité électrique élevée même après avoir été pliée plus de 100 000 fois, ce qui la rend adaptée à une utilisation dans l'électronique flexible, la fabrication industrielle et d'autres applications où le graphène est utilisé pour déployer des courants puissants.

L'application sur laquelle les chercheurs se sont concentrés dans leur étude est l'utilisation de la feuille de graphène comme collecteur de courant dans les batteries lithium-ion. Les batteries lithium-ion sont vulnérables à un risque majeur, appelé emballement thermique, qui se produit lorsqu'une chaleur excessive s'accumule dans une partie de la batterie, entraînant une défaillance de la batterie accompagnée d'incendies ou d'explosions dangereuses. Ce problème est l’une des principales raisons pour lesquelles de nombreux chercheurs et fabricants de batteries cherchent au-delà du lithium-ion et des produits chimiques alternatifs comme le sodium-ion. De nombreuses solutions alternatives sont explorées, par exemple les électrolytes en gel.

L'emballement thermique se produit principalement au niveau des collecteurs de courant de la batterie, là où la plus grande puissance est concentrée. Dans les batteries lithium-ion actuelles, les collecteurs de courant sont généralement en aluminium ou en cuivre. Les collecteurs de courant en graphène développés par la recherche avec leur feuille de graphène peuvent afficher une conductivité thermique aussi élevée que 1 400,8 W m−1 K−1. Pour référence, c'est presque 10 fois plus élevé que les collecteurs de courant à base de cuivre et d'aluminium.

Étant donné que la feuille de graphène présente une dissipation thermique très rapide, elle élimine le risque de concentration de chaleur locale lorsque le courant circule. À son tour, cela élimine les risques de réactions aluminothermiques et de dégagement d'hydrogène qui sont les étapes critiques conduisant à la propagation de la panne de batterie et du risque d'incendie.

«Notre structure de graphène dense et alignée constitue une barrière robuste contre la formation de gaz inflammables et empêche l'oxygène de pénétrer dans les cellules de la batterie, ce qui est crucial pour éviter des pannes catastrophiques»,

Dr Jinlong Yang, co-auteur principal

Peut-être plus important encore, il a déjà été prouvé que la méthode peut être déployée avec la fabrication en série de la feuille de graphène. Il pourrait donc être rapidement intégré aux processus de fabrication de batteries existants.

« Il s’agit d’une avancée significative pour la technologie des batteries. Notre méthode permet la production de collecteurs de courant en graphène à une échelle et une qualité qui peuvent être facilement intégrées dans la fabrication de batteries commerciales. Cela améliore non seulement la sécurité de la batterie en gérant efficacement la chaleur, mais améliore également la densité énergétique et la longévité. »

Dr Rui Tan, co-auteur principal

Les chercheurs étudient déjà des moyens de réduire l'épaisseur des feuilles de graphène et d'améliorer encore leurs propriétés mécaniques. Ils étudient également comment la feuille de graphène pourrait aider à concevoir des batteries à meilleur débit et des batteries sodium-ion, en collaboration avec une autre équipe de recherche de l'Université de Swansea, sous la direction du Pr. Le leadership de Serena Margodonna.

Nous avons déjà discuté des batteries lithium-ion en nid d'abeille qui éliminent le risque de panne de batterie dû à la croissance des dendrites. Si l'emballement thermique peut également être supprimé grâce à la feuille de graphène, cela pourrait rendre les batteries lithium-ion beaucoup plus sûres et durables que la version actuelle.

Dans l'ensemble, cela suit le modèle de la plupart des innovations dans un créneau de la technologie des batteries pour être utilisables dans d'autres conceptions, contribuant ainsi à alimenter les progrès rapides de l'industrie.

(Vous pouvez également en savoir plus sur la technologie des batteries dans nos articles « L'avenir de la mobilité – Technologie des batteries » et « L'avenir du stockage d'énergie – Technologie des batteries à l'échelle industrielle ».)

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