Nouvelle technologie de batterie au niveau moléculaire pourrait transformer le stockage

Une équipe d’innovateurs chercheurs de l’Université de l’Illinois repense les solutions de stockage d’énergie. Leur étude récemment publiée explore comment la manipulation des couches doubles électriques (EDL) des batteries améliore le processus électrochimique, améliorant ainsi les performances et créant des solutions de stockage d’énergie plus résilientes.

L’étude révèle comment les EDL se forment, coopèrent et comment ils peuvent être modifiés pour créer des avantages uniques. En conséquence, leur travail pourrait avoir un impact considérable sur la technologie des batteries à venir. Voici ce que vous devez savoir.

De meilleures batteries sont en route

Le monde est en quête de meilleures batteries pour continuer à alimenter le nombre croissant de dispositifs portables et haute technologie que la personne moyenne utilise quotidiennement. Dans les années 90, une personne pouvait avoir un téléphone mobile sur elle. Ces appareils étaient limités aux services vocaux et de texte, et ils ont poussé la technologie des batteries vers l’avant.

Aujourd’hui, il est courant pour quelqu’un de transporter plusieurs appareils tels que des smartphones, des accessoires, des tablettes, des ordinateurs portables ou d’autres dispositifs haute technologie. La majorité de ces appareils reposent sur des batteries au lithium-ion en raison de leur haute densité de puissance et de leur cycle de vie prolongé par rapport aux autres options.

Les batteries au lithium-ion sont le type de stockage portable le plus populaire en usage aujourd’hui. Cependant, elles ont de nombreuses limites et problèmes qui continuent de pousser les chercheurs à rechercher de meilleures alternatives. Par conséquent, les chercheurs et les investisseurs ont investi des milliards dans la création de solutions de stockage d’énergie plus avancées et plus efficaces. Cette dernière révélation fait le latter, en introduisant une nouvelle méthode pour créer de meilleures batteries à travers une large gamme d’options électrochimiques.

Couches doubles électriques

Pour comprendre l’importance du travail des chercheurs, vous devez d’abord comprendre ce que sont les EDL et comment ils peuvent affecter les processus électrochimiques tels que les fonctions de consommation et de stockage d’énergie. Notamment, le concept d’EDL n’est pas nouveau. En fait, il remonte à plus d’un siècle.

Ces électrons invisibles ont été découverts pour la première fois par Hermann von Helmholtz dans les années 1850. C’est à ce moment-là qu’il a noté qu’il y avait une distribution spatiale de charges électriques qui n’existait que là où certains solides et liquides se rencontraient.

Source – Oxford

Intéressant, les EDL s’organisent naturellement en couches d’épaisseur nanométrique aux interfaces solide-liquide. Leur épaisseur peut varier de 0,1 à 10 nm en fonction de la longueur de Debye. La longueur de Debye est une mesure de l’effet électrostatique net d’un porteur de charge en solution. C’est un outil précieux que les ingénieurs utilisent pour voir la portée des effets électrostatiques.

Comment les EDL aident la génération actuelle

Il existe de nombreuses façons dont les EDL aident à maintenir l’importante différence de potentiel électrique dans les batteries, ce qui entraîne une différence de tension entre les deux bornes. De plus, les performances des EDL dans les électrolytes influencent des aspects clés des performances des batteries, tels que le transport d’ions, le stockage de charge et la stabilité.

Problèmes avec les EDL aujourd’hui

L’un des problèmes les plus importants avec les EDL aujourd’hui est simplement un manque de compréhension. Les scientifiques n’avaient pas d’informations sur la nucléation et la croissance des EDL. La nucléation fait référence à la formation initiale de la couche. Par conséquent, il n’y avait pas de moyen d’utiliser ce phénomène d’électrolyte omniprésent pour améliorer le transport et le stockage d’énergie.

À l’intérieur de l’étude de batterie EDL innovante

Heureusement, les ingénieurs de l’Université de l’Illinois peuvent avoir résolu ce mystère via leur étude récemment publiée¹, “La nucléation aux interfaces solide-liquide est accompagnée de la reconfiguration des couches doubles électriques”.

L’article est le premier à utiliser des techniques de pointe pour examiner la structure et l’évolution des EDL au niveau moléculaire. Il représente un jalon monumental car c’est la première fois que les ingénieurs ont enregistré la structure moléculaire d’EDL inhomogènes entourant des grappes de surface en temps réel. Pour accomplir cette tâche, l’équipe a utilisé la microscopie à force atomique 3D.

Microscopie à force atomique 3D

Dans ce cas, le microscope à force atomique 3D a été utilisé par les ingénieurs pour capturer la formation et les mouvements des structures moléculaires à leurs interfaces solide-liquide. Ils ont remarqué que la formation d’EDL était basée sur les formations primaires créées lorsque la batterie était en charge.

Notamment, l’équipe a utilisé une forme améliorée de microscopie à force atomique 3D qui a permis aux ingénieurs de capturer les changements au niveau atomique dans trois dimensions. La méthode de microscopie à force atomique 3D est idéale lorsque les ingénieurs doivent examiner des nanostructures complexes et a été cruciale pour faire progresser la fabrication de semi-conducteurs de nouvelle génération.

Réponses primaires dans les EDL

Dans le cadre de leur travail, l’équipe a documenté comment les EDL s’auto-organisent en fonction du dépôt chimique sur la surface solide. De plus, ils ont constaté que les irrégularités de surface pouvaient modifier ces formations, les permettant d’être manipulées en trois réponses primaires – flexion, rupture ou reconnexion.

Dans le scénario de flexion, l’EDL commence à se former autour du cluster initial. Ce scénario est différent des actions de rupture dans lesquelles l’EDL se sépare et forme des couches intermédiaires différentes. Enfin, le scénario de reconnexion entraîne la fusion de couches séparées.

Une approche universelle

L’équipe a noté que leur stratégie pourrait fonctionner comme une approche universelle pour améliorer les EDL dans tous les processus électrochimiques. Ils ont également déclaré que les performances des EDL avaient moins à voir avec la chimie spécifique et plus avec la taille finie des molécules liquides.

Test de la nouvelle conception de batterie EDL

Pour tester leurs théories, ils ont créé une méthode d’électrochimie 3D à force atomique spécialement conçue. Le système amélioré a permis à l’équipe de surveiller la structure de l’EDL à partir de la formation sur un système d’anode de batterie à liquide ionique/graphite.

Cette approche très détaillée a fourni plusieurs avantages importants aux chercheurs. Pour un, ils pouvaient quantifier les profils de densité spatiale. De plus, la nouvelle méthode a fourni une compréhension plus approfondie de la cinétique de croissance des EDL et de la façon dont les facteurs variables tels que les changements de matériau chimique et de nœud affectent les performances.

Ce que l’étude EDL a révélé

Les résultats de la phase de test ont montré que les ingénieurs avaient raison dans leur hypothèse que le stade initial de nucléation de surface pouvait être manipulé pour créer des actions uniques. Ils ont pu initier des actions clés telles que la réorganisation prononcée.

L’approche de microscopie 3D a aidé l’équipe à réaliser que les modèles de flexion, de rupture et/ou de reconnexion changent lorsque la taille du cluster d’interphase local change et sont universels pendant la nucléation et la croissance. Ces découvertes pourraient aider à stimuler le développement des batteries à venir.

Avantages de l’optimisation des EDL

Il existe plusieurs avantages que cette étude apporte sur le marché. Pour un, elle aidera les ingénieurs à mieux comprendre les détails clés qui rendent les batteries plus efficaces à l’échelle moléculaire. Ces données aideront les ingénieurs à créer des batteries plus efficaces à l’avenir.

Appareils plus petits

Un autre aspect clé de cette recherche est qu’elle aidera les ingénieurs en batteries à créer des dispositifs de stockage plus petits. Ces unités deviendront encore plus importantes à mesure que la microélectronique continuera de devenir un aspect vital de la vie quotidienne. À l’avenir, vous pourriez voir cette technologie aider à garantir que les stimulateurs cardiaques et d’autres accessoires portables restent opérationnels.

Technologie facile à intégrer

Les informations apprises de cette recherche seront facilement intégrables dans presque toutes les conceptions de batteries électrochimiques. La nature universelle de cette découverte signifie qu’elle pourrait aider à améliorer beaucoup plus que juste l’efficacité des batteries.

Applications et calendrier dans le monde réel :

Il existe de nombreuses applications pour les données trouvées dans l’étude de révision des dispositifs de stockage. Ces applications peuvent utiliser des batteries plus efficaces pour aider à créer de meilleurs produits et fournir des services supplémentaires lorsque nécessaire. Voici quelques-unes des applications clés pour cette technologie.

VE

Les véhicules électriques sont un secteur en pleine croissance qui repose sur des batteries puissantes pour fonctionner. Ces sociétés ont investi massivement dans la technologie des batteries, avec de nombreuses partenariats avec des startups pour essayer de créer des alternatives au lithium-ion. Maintenant, ces sociétés pourraient chercher à réaménager leurs configurations de batteries actuelles pour améliorer les performances.

Soins de santé

Les batteries jouent un rôle vital dans les soins de santé, où elles peuvent être un aspect critique du traitement d’une personne. Des accessoires conçus pour surveiller un patient aux membres robotiques complets, cette technologie de batterie aidera à maintenir ces appareils en fonctionnement plus longtemps.

Villes intelligentes

L’émergence de villes intelligentes dans le monde entier entraînera des demandes d’énergie plus élevées. Les améliorations apportées via l’étude de reconfiguration des EDL pourraient aider à rendre les villes intelligentes plus faciles à alimenter, car ces appareils peuvent être configurés comme de grandes banques de puissance.

Énergies renouvelables

Les batteries sont un composant critique des alternatives énergétiques vertes d’aujourd’hui. Les fermes solaires et éoliennes peuvent créer beaucoup d’énergie, mais elles ont besoin d’un endroit pour stocker l’énergie inutilisée. Les solutions de batterie actuelles pourraient voir des améliorations drastiques en améliorant les EDL et en les utilisant pour créer des solutions de stockage massives pour les fermes solaires et éoliennes à venir.

Aérospatiale

L’avenir du vol semble être électrique. À ce titre, il existe déjà plusieurs sociétés qui produisent des avions à propulsion électrique. À ce jour, le principal facteur limitant dans ce domaine a été le rapport puissance/poids des batteries. Cette découverte pourrait aider à surmonter cette contrainte et stimuler l’innovation dans l’économie de l’aérospatiale à propulsion électrique.

Calendrier de révision du stockage d’énergie

Lorsque vous examinez la nature de cette étude, il est sage d’estimer que cette technologie commencera à entrer sur le marché dans les 5 prochaines années. Pour un, les chercheurs devront s’associer à un fabricant de batteries pour apporter les nouveaux produits sur le marché. Cette étape prendra au moins quelques années pour être mise en place et initier les plans de fabrication.

Chercheurs de révision du stockage d’énergie

L’étude de révision du stockage d’énergie a été accueillie par le Collège d’ingénierie Grainger de l’Université de l’Illinois. L’article cite Yingjie Zhang comme chercheur principal et Shan Zhou comme auteur principal. L’article comprend également des travaux de Qian Ai, Lalith Krishna Samanth Bonagiri, Kaustubh S. Panse et Jaehyeon Kim. De plus, le groupe a reçu un financement de l’Office de la recherche scientifique de l’armée de l’air.

Réviser l’avenir du stockage d’énergie

L’avenir de cette technologie est prometteur avec des applications dans un large éventail de domaines liés à l’électrochimie. Les ingénieurs vont maintenant se pencher sur la façon d’optimiser davantage le comportement des EDL dans les électrolytes solides. Ils vont également rechercher des partenariats de fabrication et des applications futures.

Investir dans le stockage d’énergie

Le marché des batteries est un secteur en pleine croissance de l’économie. Les fabricants de batteries et les chercheurs sont essentiels à la société électronique d’aujourd’hui. À ce titre, plusieurs sociétés se disputent la première place sur ce marché. Voici une société qui reste un pionnier innovant sur le marché des batteries.

EnerSys

EnerSys (ENS ) est entré sur le marché en 2000. Il était le résultat d’une fusion entre la société Yuasa Corporation et GS Battery. Les deux sociétés se sont unies, et en 2001, elles ont adopté le nom EnerSys pour refléter leur renouvellement de l’objectif de devenir un acteur majeur sur le marché des batteries. Notamment, en 2004, la société a été introduite en bourse au NYSE.

EnerSys propose une large gamme de produits, notamment des batteries sur mesure pour les télécommunications, l’aérospatiale, la défense, les transports, les centres de données et les besoins en alimentation électrique ininterrompue. Impressionnamment, les produits de la société peuvent être trouvés dans des équipements industriels critiques, tels que des outils de mining, des chariots élévateurs électriques et d’autres véhicules électriques.