CLEMSON, Caroline du Sud - Les recherches électrisantes des scientifiques de l'université de Clemson pourraient conduire à la création de batteries plus légères et se chargeant plus rapidement, adaptées à l'alimentation d'une combinaison spatiale, voire d'un rover martien.
Cette recherche, qui a été financée par la NASA, a récemment fait l'objet d'un article intitulé "Anodes de Si tridimensionnelles à diffusion rapide, haute capacité, haute cadence et longue durée de vie", publié dans la revue Applied Materials and Interfaces de l'American Chemical Society. Ses auteurs sont Shailendra Chiluwal, Nawraj Sapkota, Apparao M. Rao et Ramakrishna Podila, qui font tous partie du Clemson Nanomaterials Institute (CNI).
Des batteries plus légères et se chargeant plus rapidement pourraient être un moyen plus efficace d'alimenter une combinaison spatiale.
Image Credit : NASA artist's rendering
Podila, professeur assistant au département de physique et d'astronomie du College of Science, a déclaré que les nouvelles batteries révolutionnaires pourraient bientôt être utilisées dans les satellites américains.
"La plupart des satellites tirent principalement leur énergie du soleil", a déclaré M. Podila. "Mais les satellites doivent être capables de stocker de l'énergie pour quand ils sont dans l'ombre de la Terre. Nous devons rendre les batteries aussi légères que possible, car plus le satellite pèse, plus sa mission coûte cher".
Podila a dit que pour comprendre les percées du groupe, on pouvait visualiser l'anode en graphite d'une batterie lithium-ion comme un jeu de cartes, où chaque carte représente une couche de graphite qui sert à stocker la charge jusqu'à ce que l'on ait besoin d'électricité. Le problème, selon M. Podila, est que "le graphite ne peut pas stocker beaucoup de charge".
L'équipe de Clemson a choisi de travailler avec du silicium, qui peut accumuler plus de charge, ce qui signifie que plus d'énergie peut être stockée dans des cellules plus légères. Alors que les scientifiques ont longtemps apprécié la grande capacité du silicium pour le stockage de l'électricité, ce matériau se brise en petits morceaux au fur et à mesure qu'il se charge et se décharge. La solution trouvée par l'équipe implique l'utilisation de minuscules particules de silicium "nanométriques", qui augmentent la stabilité et assurent une plus longue durée de vie. Plutôt qu'un jeu de cartes en graphite, les nouvelles batteries utilisent des couches d'un matériau de nanotubes de carbone appelé Buckypaper, avec les nanoparticules de silicium prises en sandwich entre les deux.
Avec ce genre d'emballage interne, même si les particules de silicium se brisent, elles sont "toujours dans le sandwich", a déclaré M. Podila.
"Les feuilles indépendantes de nanotubes de carbone maintiennent les nanoparticules de silicium électriquement connectées les unes aux autres", a déclaré Shailendra Chiluwal, étudiant de troisième cycle au CNI et premier auteur de l'étude. "Ces nanotubes forment une structure quasi tridimensionnelle, maintiennent les nanoparticules de silicium ensemble même après 500 cycles, et atténuent la résistance électrique résultant de la rupture des nanoparticules".
L'utilisation de batteries en silicium et autres nanomatériaux permet non seulement d'augmenter la capacité, mais aussi de charger les batteries à un courant plus élevé, ce qui se traduit par des temps de charge plus rapides. Comme le sait toute personne dont le téléphone portable est mort au milieu d'un appel téléphonique, il s'agit d'une caractéristique importante pour la technologie des batteries.
La charge plus rapide est possible parce que les nouvelles batteries utilisent également des nanotubes comme mécanisme tampon qui permettent de charger à un rythme quatre fois plus rapide que ce qui est actuellement possible.
Des batteries plus légères qui se rechargent plus rapidement et offrent un rendement nettement supérieur seront une aubaine non seulement pour les astronautes qui portent des combinaisons à piles, mais aussi pour les scientifiques et les ingénieurs qui doivent conduire les astronautes à leur destination.
Le silicium, en tant qu'anode dans une batterie au lithium-ion, représente le "Saint Graal" pour les chercheurs dans ce domaine", a déclaré Rao, directeur du CNI et chercheur principal de la bourse de la NASA. M. Rao a également déclaré que les nouvelles batteries seront bientôt utilisées dans les véhicules électriques.
"Notre prochain objectif est de collaborer avec des partenaires industriels pour mettre sur le marché cette technologie issue du laboratoire", a déclaré M. Podila, auteur correspondant de l'étude et co-chercheur dans le cadre de la bourse de la NASA. "Nous sommes reconnaissants à la NASA et à l'EPSCoR de Caroline du Sud d'avoir accordé une bourse pour entreprendre de tels projets qui auront un impact durable sur les missions spatiales et le paysage énergétique mondial".
Ce travail a été financé par deux prix différents : un prix NASA-EPSCoR (numéro NNH17ZHA002C) et un prix du programme EPSCoR/IDeA de Caroline du Sud (numéro 18-SR03).
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Cet article a été publié à l'origine par le College of Science de l'université de Clemson.
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