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Utilisation de nanofils pour produire des batteries plus sûres et plus puissantes

INGÉNIERIE ET ​​TECHNOLOGIEUtilisation de nanofils pour produire des batteries plus sûres et plus puissantes

Une étude a découvert un moyen de rendre les batteries que nous utilisons tous les jours plus résistantes, puissantes et sûres.

Nous sommes en 2018 et notre vie quotidienne est désormais alimentée par différents gadgets qui fonctionnent soit à l'électricité, soit sur piles. Notre dépendance à l'égard des gadgets et des appareils fonctionnant sur batterie augmente de manière phénoménale. UNE batterie est un appareil qui stocke l'énergie chimique qui est convertie en électricité. Les batteries sont comme des mini réacteurs chimiques dont la réaction produit des électrons pleins d'énergie qui circulent à travers l'appareil externe. , il existe une demande continue pour des batteries rechargeables plus compactes, de grande capacité et plus sûres.

Les batteries ont une longue et glorieuse histoire. Le scientifique américain Benjamin Franklin a utilisé pour la première fois le terme « batterie » en 1749 lors d'expériences avec l'électricité à l'aide d'un ensemble de condensateurs liés. Le physicien italien Alessandro Volta a inventé la première pile en 1800 lorsque des disques de cuivre (Cu) et de zinc (Zn) étaient empilés séparés par un chiffon imbibé d'eau salée. La batterie plomb-acide, l'une des batteries rechargeables les plus durables et les plus anciennes, a été inventée en 1859 et est encore utilisée dans de nombreux appareils, même aujourd'hui, y compris les moteurs à combustion interne dans les véhicules.

Les batteries ont parcouru un long chemin et aujourd'hui, elles sont disponibles dans une gamme de tailles allant de grandes tailles de mégawatts, donc en théorie, elles sont capables de stocker l'énergie des fermes solaires et d'éclairer des mini-villes ou elles pourraient être aussi petites que celles utilisées dans les montres électroniques. , merveilleux n'est-ce pas. Dans ce qu'on appelle une batterie primaire, la réaction qui produit le flux d'électrons est irréversible et finalement, lorsqu'un de ses réactifs est consommé, la batterie devient plate ou meurt. La batterie primaire la plus courante est la batterie zinc-carbone. Ces batteries primaires étaient un gros problème et la seule façon de s'attaquer à l'élimination de ces batteries était de trouver une méthode dans laquelle elles pourraient être réutilisées - c'est-à-dire en les rendant rechargeables. Le remplacement des piles par des neuves était évidemment peu pratique et ainsi, à mesure que les piles devenaient plus solide et grand, il est devenu presque impossible de ne pas mentionner assez coûteux de les remplacer et de s'en débarrasser.

La batterie nickel-cadmium (NiCd) a été la première batterie rechargeable populaire qui utilisait un alcali comme électrolyte. En 1989, les batteries nickel-métal hydrogène (NiMH) ont été développées avec une durée de vie plus longue que les batteries NiCd. Cependant, elles présentaient certains inconvénients, principalement le fait qu'elles étaient très sensibles à la surcharge et à la surchauffe, en particulier lorsqu'elles étaient chargées, disons à leur taux maximum. Par conséquent, elles devait être chargé lentement et avec précaution pour éviter tout dommage et nécessitait plus de temps pour être chargé par des chargeurs plus simples.

Inventées en 1980, les batteries lithium-ion (LIB) sont les batteries les plus couramment utilisées dans les appareils électroniques grand public aujourd'hui. Le lithium est l'un des éléments les plus légers et il possède l'un des plus grands potentiels électrochimiques, cette combinaison est donc parfaitement adaptée à la fabrication de batteries. Dans les LIB, les ions lithium se déplacent entre différentes électrodes à travers un électrolyte composé de sel et de solvants organiques (dans la plupart des LIB traditionnels). Théoriquement, le lithium métal est le métal le plus électriquement positif ayant une capacité très élevée et constitue le meilleur choix possible pour les batteries. Lorsque les LIB ne se rechargent pas suffisamment, l'ion lithium chargé positivement devient du lithium métal. Ainsi, les LIB sont les batteries rechargeables les plus populaires pour une utilisation dans toutes sortes d'appareils portables en raison de leur longue durée de vie et de leur grande capacité. Cependant, un problème majeur est que l'électrolyte peut s'évaporer facilement, provoquant un court-circuit dans la batterie et cela peut être un risque d'incendie. Dans la pratique, les LIB sont vraiment instables et inefficaces car au fil du temps, les dispositions du lithium deviennent non uniformes. Les LIB ont également de faibles taux de charge et de décharge et les problèmes de sécurité les rendent non viables pour de nombreuses machines à haute puissance et haute capacité, par exemple les véhicules électriques et hybrides. Il a été rapporté que le LIB présente de bons taux de capacité et de rétention à de très rares occasions.

Ainsi, tout n'est pas parfait dans le monde des batteries car ces dernières années, de nombreuses batteries ont été marquées comme dangereuses car elles prennent feu, sont peu fiables et parfois inefficaces. Les scientifiques du monde entier sont à la recherche de batteries qui seront petites, rechargeables en toute sécurité, plus légères, plus résistantes et en même temps plus puissantes. Par conséquent, l'accent s'est déplacé vers les électrolytes à l'état solide comme alternative potentielle. En gardant cela comme objectif, de nombreuses options ont été essayées par les scientifiques, mais la stabilité et l'évolutivité ont été un obstacle pour la plupart des études. Les électrolytes polymères ont montré un potentiel important car ils sont non seulement stables mais aussi flexibles et aussi peu coûteux. Malheureusement, le principal problème avec de tels électrolytes polymères est leur mauvaise conductivité et leurs propriétés mécaniques.

Dans une étude récente publiée dans ACS Nano Lettres, les chercheurs ont montré que la sécurité d'une batterie et même de nombreuses autres propriétés peuvent être améliorées en y ajoutant des nanofils, ce qui rend la batterie supérieure. Cette équipe de chercheurs du Collège des sciences et de l'ingénierie des matériaux de l'Université de technologie du Zhejiang, en Chine, s'est appuyée sur leurs recherches précédentes où ils ont fabriqué des nanofils de borate de magnésium qui présentaient de bonnes propriétés mécaniques et une bonne conductivité. Dans l'étude actuelle, ils ont vérifié si cela serait également vrai pour les batteries lorsque de telles nanofils sont ajoutés à un électrolyte polymère à l'état solide. L'électrolyte à l'état solide a été mélangé avec 5, 10, 15 et 20 poids de nanofils de borate de magnésium. Il a été constaté que les nanofils augmentaient la conductivité de l'électrolyte polymère à l'état solide, ce qui rendait les batteries plus robustes et résilientes par rapport aux précédentes sans nanofils. Cette augmentation de la conductivité était due à l'augmentation du nombre d'ions passant et se déplaçant à travers l'électrolyte et à une vitesse beaucoup plus rapide. L'ensemble de l'installation était comme une batterie mais avec des nanofils ajoutés. Cela a montré un taux de performance plus élevé et des cycles accrus par rapport aux batteries normales. Un important test d'inflammabilité a également été effectué et il a été constaté que la batterie ne brûlait pas. Les applications portables largement utilisées d'aujourd'hui, comme les téléphones portables et les ordinateurs portables, doivent être mises à niveau avec une énergie stockée maximale et la plus compacte. Cela augmente évidemment le risque de décharge violente et c'est gérable pour de tels appareils en raison du petit format des piles nécessaires. Mais à mesure que de plus grandes applications de batteries sont conçues et testées, la sécurité, la durabilité et la puissance revêtent une importance suprême.

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{Vous pouvez lire le document de recherche original en cliquant sur le lien DOI ci-dessous dans la liste des sources citées}

Sources)

Sheng O et al. 2018. Électrolytes à semi-conducteurs multifonctionnels activés par les nanofils Mg2B2O5 avec une conductivité ionique élevée, d'excellentes propriétés mécaniques et des performances ignifuges. Nano lettres. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659

Équipe SCIEU
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