Nanobatteries: Progrès dans le stockage de l'énergie et les solutions énergétiques durables

Par Fouad Sabry

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• Langue: Français
• Éditeur: Un Milliard De Personnes Informées [French]
• Date de sortie: 16 mars 2025

Aperçu du livre

Chapitre 1 :Nanobatteries

Les batteries fabriquées à l'aide de technologies à l'échelle nanométrique pourraient être appelées nanobatteries, des particules mesurant moins de 100 nanomètres ou 10 à 7 mètres.

Des matériaux actifs, tels que l'oxyde de cobalt ou l'oxyde de manganèse, sont utilisés dans la technologie traditionnelle des batteries lithium-ion. Ces matériaux ont des particules dont la taille varie de 5 à 20 micromètres (5000 à 20000 nanomètres – plus de 100 fois à l'échelle nanométrique). On pense que la nanotechnologie peut remédier à de nombreuses lacunes présentes dans la technologie actuelle des batteries, telles que l'expansion du volume et la densité de puissance.

Une batterie est un dispositif électrochimique qui transforme l'énergie chimique en énergie électrique. Les batteries se composent généralement de trois éléments principaux :

Anode (électrode positive)

La cathode (électrode négative)

Électrolyte

Les potentiels chimiques de l'anode et de la cathode sont complètement distincts l'un de l'autre et sont déterminés par les processus qui se déroulent à l'une ou l'autre extrémité. Il est possible que l'électrolyte prenne la forme d'un solide ou d'un liquide ; Cette distinction détermine s'il s'agit d'une cellule sèche ou humide. L'interphase solide-électrolyte est le nom donné à la frontière que l'on peut trouver entre l'électrode et l'électrolyte (SEI). L'énergie chimique stockée dans la batterie est transformée en énergie électrique lorsqu'une tension est appliquée aux électrodes.

La densité d'énergie et la densité de puissance d'une batterie sont deux facteurs clés qui déterminent la charge qu'elle peut contenir. Il est essentiel pour qu'une batterie conserve sa capacité à maintenir une charge et à maintenir une quantité maximale de charge à tout moment. Faire du vélo et augmenter son volume sont d'autres éléments importants à prendre en compte. La technologie actuelle des batteries est basée sur la technologie d'intercalation lithium-ion, malgré le fait qu'il existe de nombreux types de batteries différents. Cela est dû aux densités de puissance et d'énergie élevées de la technologie d'intercalation lithium-ion, à la durée de vie prolongée et au manque d'effets de mémoire. En raison de ces qualités, les batteries lithium-ion sont devenues l'alternative la plus populaire aux autres types de batteries. Pour faire progresser l'état de l'art en matière de technologie des batteries, la capacité de cycle, la densité d'énergie et la densité de puissance doivent toutes être augmentées, tandis que la croissance du volume doit être réduite au minimum.

Le volume de l'électrode gonfle à la suite du processus d'intercalation du lithium, ce qui entraîne une déformation mécanique. La contrainte mécanique compromet l'intégrité structurelle de l'électrode, ce qui entraîne la fissuration de l'électrode.

Les avantages suivants sont obtenus lorsque les batteries sont produites à l'aide de la nanotechnologie :

Augmenter la quantité d'énergie pouvant être tirée d'une batterie tout en réduisant le temps nécessaire pour la recharger. Ces avantages peuvent être obtenus en recouvrant la surface d'une électrode avec des nanoparticules, ce qui augmente la surface de l'électrode et permet à un courant plus important de passer entre l'électrode et les produits chimiques contenus à l'intérieur de la batterie.

Lorsque la batterie n'est pas utilisée, un revêtement composé de nanomatériaux peut être appliqué sur celle-ci pour empêcher les liquides de la batterie d'entrer en contact avec les électrodes. La technologie actuelle des batteries implique des liquides et des solides qui interagissent les uns avec les autres, ce qui entraîne une faible décharge. La durée de vie d'une batterie sera ainsi raccourcie.

Dans le domaine des batteries, la nanotechnologie présente ses propres obstacles :

Les nanoparticules se caractérisent par leur faible densité et leur très grande surface. Plus la surface est grande, plus la probabilité qu'il y ait des interactions à la surface avec l'air est élevée. Cela a pour effet de rendre les matériaux à l'intérieur de la batterie plus instables.

En raison de leur faible densité, les nanoparticules ont une plus grande résistance interparticulaire que les particules plus grosses, ce qui réduit la conductivité électrique du matériau.

La production de nanomatériaux peut être difficile, ce qui pourrait faire grimper le prix des matériaux. Les nanomatériaux ont le potentiel d'augmenter considérablement les performances d'une batterie, mais la production de ces matériaux pourrait être prohibitive.

De nombreuses recherches ont été menées sur les batteries lithium-ion afin de découvrir tout leur potentiel. Les batteries capables de stocker d'énormes quantités d'énergie utilisées dans le stockage de l'énergie du réseau sont essentielles pour exploiter efficacement les sources d'énergie renouvelables telles que l'énergie solaire, l'énergie éolienne et l'énergie marémotrice. Des recherches sont menées sur les électrodes de phosphate de fer lithium dans le but d'identifier les utilisations possibles dans le stockage de l'énergie du réseau.

Le graphite est presque souvent utilisé comme matériau d'anode dans les batteries lithium-ion.

Depuis sa première séparation en 2004, le graphène fait l'objet d'intenses recherches sur son utilisation potentielle dans des systèmes électrochimiques tels que les batteries. Sur le graphène dans les anodes, des études sont encore en cours à ce jour.

Afin d'augmenter la capacité des batteries qui reposent sur l'intercalation, telles que les batteries lithium-ion, les nanotubes de carbone ont été utilisés dans le rôle d'augmentation de la capacité des électrodes.

Les oxydes de titane sont un autre type de matériau d'anode qui a été étudié pour une utilisation potentielle dans les voitures électriques et le stockage de l'électricité du réseau.

Des recherches ont également été menées sur des anodes en silicium, notamment en raison de leur capacité théorique plus importante par rapport à celle du graphite.

Les électrodes, à savoir la cathode, ont vu leurs capacités augmentées par l'utilisation de nanostructures de carbone.

Le graphène a le potentiel d'être utilisé dans l'amélioration de la conductivité électrique des matériaux de cathode.

LiCoO2, LiMn2O4 et LiFePO4 sont tous des matériaux de cathode couramment utilisés dans les batteries lithium-ion.

Dans la plupart des cas, la capacité de vitesse de ces matériaux de cathode a été améliorée en les combinant avec d'autres matériaux composites en carbone.

En raison de la conductivité électrique supérieure du graphène par rapport à celle de divers autres matériaux composites en carbone, comme le noir de carbone, le graphène est supérieur aux autres ajouts de composites en carbone dans sa capacité à améliorer les performances des matériaux de