Face au développement des véhicules électriques, les batteries lithium-ion doivent répondre à de nouveaux usages. On leur demande une densité énergétique plus élevée pour augmenter l’autonomie, mais aussi des réactions cinétiques améliorées pour permettre une recharge rapide, et ce en toute sécurité. Le défi : trouver le bon compromis pour préserver ces deux propriétés, sachant qu’il est difficile d’en améliorer l’une sans sacrifier l’autre. Une solution consiste à utiliser des matériaux conducteurs pour protéger les électrodes lors de la charge rapide.
Des billes de graphène pour protéger les électrodes
Les chercheurs du SAIT se sont tournés vers le graphène : un matériau composé d’une couche d’atomes de carbone organisés en nids d’abeilles, à la fois flexible, léger, résistant et très bon conducteur. Ils ont assemblé du graphène et de la silice (SiOx) pour former des billes de graphène.
Chaque bille se compose au centre d’une nanoparticule SiOx entourée de couches de graphène. Le tout forme une structure en 3D ressemblant à un grain de popcorn. Pour arriver à ce résultat, les chercheurs ont chauffé à 1 000 °C du méthane (CH4) et du dioxyde de silicium (SiO2).
Des performances améliorées
Les billes de graphène ont ensuite servi de matériau de revêtement pour la cathode en nickel (Ni). En empêchant des réactions secondaires indésirables de se produire et en augmentant la conductivité de la cathode, ce revêtement améliore à la fois le cycle de vie de la batterie et sa capacité à supporter une charge rapide. Les tests ont révélé que les cellules conservent leur capacité de charge à 78,6 % après 500 cycles à 60 °C, la température critique de fonctionnement des VE.
De plus, lorsqu’elles sont utilisées comme matériau pour l’anode, les billes de graphène augmentent de 45 % sa capacité, c’est-à-dire la quantité de charge électrique qu’elle peut porter. Au final, les cellules de la batterie bénéficient d’une densité volumique d’énergie supérieure de 27,6 % par rapport aux batteries lithium-ion classiques. Et plus la densité énergétique est élevée, plus il y a d’énergie pouvant être stockée ou transportée pour un volume donné.
Une recharge cinq fois plus rapide
En théorie, une telle batterie se rechargerait en seulement 12 minutes selon Samsung, soit cinq fois moins que les batteries lithium-ion standard (environ 1 h en charge rapide).
« Nos travaux de recherche rendent possible la synthèse en masse de graphène composite multifonctionnel à un prix abordable. Dans le même temps, nous avons réussi à améliorer considérablement les capacités des batteries lithium-ion dans un environnement où les marchés des appareils mobiles et des véhicules électriques connaissent une croissance rapide », a déclaré le docteur Son In-hyuk qui dirige le projet.
Réalisée en collaboration avec le département de génie chimique et biologique de l’Université nationale de Séoul, cette étude a été publiée le 16 novembre 2017 dans le journal Nature Communications. Le SAIT a déposé deux demandes de brevet pour cette technologie aux États-Unis et en Corée.
