vignette|Image de gauche : batterie nanométrique observée par microscopie électronique à transmission (MET). Images du centre et de droite : le NIST a utilisé la MET pour observer des batteries nanométriques et a découvert qu’il existe une limite à l’épaisseur minimale de la couche d’électrolyte avant que la batterie ne dysfonctionne. Crédit : Talin/NIST. Auteur : Institut national des normes et de la technologie - NIST (E-U) Les nanobatteries sont des batteries fabriquées à l'aide de technologies à l'échelle nanométrique, avec des particules mesurant moins de 100 nanomètres (10⁻⁷ mètre).
Ces batteries peuvent être de taille nanométrique ou utiliser la nanotechnologie dans une batterie macroscopique. Des batteries nanométriques peuvent être combinées pour fonctionner comme une macrobatterie, par exemple au sein d'une batterie nanoporeuse.
La technologie traditionnelle des batteries lithium-ion utilise des matériaux actifs, tels que l'oxyde de cobalt ou l'oxyde de manganèse, dont les particules ont une taille comprise entre 5 et 20 micromètres (5 000 et 20 000 nanomètres – plus de 100 fois l'échelle nanométrique). La nano-ingénierie permet potentiellement d'améliorer de nombreux défauts de la technologie actuelle des batteries, tels que la dilatation volumique et la densité énergétique..
Introduction vignette|Schéma simplifié du fonctionnement d'une batterie ionique. Les flèches bleues indiquent la décharge. Si les deux flèches étaient inversées, la batterie serait en charge et il s'agirait alors d'une batterie secondaire (rechargeable). Une batterie convertit l'énergie chimique en énergie électrique et se compose de trois parties principales :
Anode (électrode positive) Cathode (électrode négative) Électrolyte
L'anode et la cathode ont deux potentiels chimiques différents, qui dépendent des réactions qui se produisent à chacune de leurs extrémités. L'électrolyte peut être un solide ou un liquide conducteur ionique. La frontière entre l'électrode et l'électrolyte est appelée interface solide-électrolyte (SEI). La connexion d'un circuit entre les électrodes provoque la conversion de l'énergie chimique stockée dans la batterie en énergie électrique.
Limites de la technologie actuelle La capacité d'une batterie à stocker une charge dépend de sa densité énergétique et de sa densité de puissance. Il est important que la charge puisse rester stockée et qu'une quantité maximale de charge puisse être stockée dans une batterie. Le cyclage et l'expansion volumique sont également des facteurs importants à prendre en compte. Bien qu'il existe de nombreux autres types de batteries, la technologie actuelle repose sur la technologie d'intercalation lithium-ion en raison de sa puissance et de sa densité énergétique élevées, de sa longue durée de vie et de l'absence d'effet mémoire. Ces caractéristiques ont conduit à privilégier les batteries lithium-ion par rapport aux autres types de batterieshttps://www.nature.com/articles/nnano.2016.207. Pour améliorer la technologie des batteries, il faut maximiser la capacité de cyclage et la densité énergétique et de puissance, et minimiser l'expansion volumique.
Lors de l'intercalation du lithium, le volume de l'électrode augmente, ce qui provoque une contrainte mécanique. Cette contrainte mécanique compromet l'intégrité structurelle de l'électrode, provoquant sa fissurationWong, Kaufui; Dia, Sarah (2016-10-20). "Nanotechnology in Batteries". Journal of Energy Resources Technology. 139 (1): 014001–014001–6. doi:10.1115/1.4034860. ISSN 0195-0738..
Les nanoparticules peuvent réduire la contrainte exercée sur un matériau lorsque la batterie subit des cycles, car l'expansion volumique associée aux nanoparticules est inférieure à celle associée aux microparticulesPistoia, G. (2014-03-28). Lithium-ion batteries : advances and applications. Elsevier Science. ISBN 9780444595133. OCLC 861211281. La faible expansion volumique associée aux nanoparticules améliore également la réversibilité de la batterie, c'est-à-dire sa capacité à subir de nombreux cycles sans perdre sa charge.
Dans la technologie actuelle des batteries lithium-ion, la diffusion du lithium est lente. Grâce aux nanotechnologies, il est possible d'accélérer cette diffusion. Les nanoparticules nécessitent des distances plus courtes pour le transport des électrons, ce qui induit une diffusion plus rapide et une conductivité accrue, et par conséquent une densité de puissance supérieure.
Avantages des nanotechnologies L’utilisation de la nanotechnologie pour la fabrication de batteries offre plusieurs avantages :
Augmentation de la puissance disponible d'une batterie et réduction du temps nécessaire à sa recharge. Ceci est obtenu en revêtant la surface d'une électrode de nanoparticules, augmentant la surface de l'électrode et permettant à un plus fort courant de circuler entre l'électrode et les produits chimiques à l'intérieur de la batterie. Les nanomatériaux peuvent servir de revêtement pour isoler les électrodes des liquides présents dans la batterie lorsque celle-ci n'est pas utilisée. Dans la technologie actuelle des batteries, l'interaction entre les liquides et les solides entraîne une décharge de faible niveau, réduisant leur durée de vie.
Inconvénients de la nanotechnologie La nanotechnologie pose ses propres défis en matière de batteries :
Les nanoparticules ont une faible densité et une grande surface spécifique. Plus la surface spécifique est grande, plus les réactions avec l'air sont susceptibles de se produire à sa surface. Ceci contribue à déstabiliser les matériaux de la batterie. En raison de la faible densité des nanoparticules, il existe une résistance inter-particulaire plus élevée, ce qui diminue la conductivité électrique du matériau. La fabrication des nanomatériaux peut s'avérer complexe, en augmentant le coût. Bien que les nanomatériaux puissent améliorer considérablement les performances d'une batterie, leur production peut être prohibitive.
Recherches en cours et passées De nombreuses recherches ont été menées sur les batteries lithium-ion afin d'optimiser leur potentiel. Afin d'exploiter correctement les ressources énergétiques propres, telles que l'énergie solaire, l'énergie éolienne et l'énergie marémotrice, il est nécessaire de disposer de batteries capables de stocker d'énormes quantités d'énergie utilisées dans le stockage d'énergie du réseau. Les électrodes au lithium fer phosphate font actuellement l'objet de recherches en vue d'applications potentielles dans le stockage d'énergie du réseau.
Les véhicules électriques constituent une autre technologie nécessitant des batteries améliorées. Les batteries des véhicules électriques nécessitent actuellement des temps de charge importants, empêchant de fait leur utilisation pour les véhicules électriques à autonomie longue.
Matériaux d'anode nanostructurés
Graphite et SEI L'anode des batteries lithium-ion est presque toujours en graphite. Les anodes en graphite doivent améliorer leur stabilité thermique et offrir une puissance plus élevéehttps://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.6b04109. Le graphite et certains autres électrolytes peuvent subir des réactions qui réduisent l'électrolyte et créent une interface électrolytique solide (SEI), réduisant ainsi efficacement le potentiel de la batterie. Des nanorevêtements au niveau de la SEI font actuellement l'objet de recherches afin d'empêcher ces réactions de se produire.
Dans les batteries Li-ion, la couche SEI est nécessaire à la stabilité thermique, mais elle entrave le flux d'ions lithium entre l'électrode et l'électrolyte. Park et al. ont mis au point un revêtement nanométrique à base de polydopamine qui empêche la couche SEI d'interférer avec l'électrode ; à la place, la couche SEI interagit avec le revêtement polydopamine.
Le graphène et autres matériaux carbonés Depuis sa première isolation en 2004, le graphène a fait l'objet de nombreuses études pour son utilisation dans des systèmes électrochimiques tels que les batteries. Le graphène offre une grande surface spécifique et une bonne conductivité.. Dans la technologie actuelle des batteries lithium-ion, les réseaux 2D de graphite empêchent l'intercalation fluide des ions lithium ; ceux-ci doivent contourner les feuilles de graphite 2D pour atteindre l'électrolyte. Cela ralentit la vitesse de charge de la batterie. Des matériaux poreux à base de graphène sont actuellement à l'étude pour remédier à ce problème. Le graphène poreux implique soit la formation de défauts dans la feuille 2D, soit la création d'une superstructure poreuse 3D à base de graphène.
En tant qu'anode, le graphène offrirait un espace d'expansion tel que le problème d'expansion volumique ne se poserait pas. Le graphène «3D» a montré des taux d'extraction d'ions lithium extrêmement élevés, indiquant une haute réversibilité de capacités.. De plus, une structuration 3D aléatoire en « château de cartes » de l'anode en graphène permettrait aux ions lithium d'être stockés non seulement sur la surface interne du graphène, mais aussi sur les nanopores qui existent entre les couches uniques de graphène.
Raccichini et al. soulignent les inconvénients du graphène et des composites à base de graphèneRaccichini, Rinaldo; Varzi, Alberto; Passerini, Stefano; Scrosati, Bruno (2015). "The role of graphene for electrochemical energy storage". Nature Materials. 14 (3): 271–279. Bibcode:2015NatMa..14..271R. doi:10.1038/nmat4170. PMID 25532074. Le graphène présente un mécanisme irréversible important lors de la première étape de lithiation. Comme le graphène a une grande surface spécifique, cela se traduit par une grande capacité d'irréversibilité initiale. Il a avancé que cet inconvénient était si important que les cellules à base de graphène étaient « irréalisables ». Des recherches sont toujours en cours, notamment sur la structuration du graphène dans les anodes.
Des nanotubes de carbone ont été utilisés comme électrodes pour des batteries utilisant l'intercalation, comme les batteries lithium-ion, dans le but d'améliorer leur capacité.
Oxydes de titane Les oxydes de titane constituent un autre matériau d'anode étudié pour leurs applications dans les véhicules électriques et le stockage d'énergie sur réseau. Cependant, leurs faibles propriétés électroniques et ioniques, ainsi que leur coût élevé, ont démontré que ce matériau est moins avantageux que d'autres matériaux d'anode.
Anodes silicatées Les anodes à base de silicium ont également fait l'objet de recherches, notamment en raison de leur capacité théorique supérieure à celle du graphite. Ces anodes présentent des vitesses de réaction élevées avec l'électrolyte, une faible capacité volumique et une expansion volumique extrêmement importante lors des cycles de charge/décharge. Cependant, des travaux récents ont permis de réduire cette expansion volumique. En créant une sphère de carbone conducteur autour de l'atome de silicium, Liu et al. ont démontré que cette légère modification structurale laisse suffisamment d'espace au silicium pour se dilater et se contracter sans induire de contrainte mécanique sur l'électrode.
Matériaux de cathode nanostructurés Les nanostructures de carbone ont été utilisées pour améliorer les performances des électrodes, notamment de la cathode.
Dans les batteries LISO2,la nanostructuration du carbone permettrait théoriquement d'augmenter la densité énergétique de 70 % par rapport à la technologie actuelle des batteries lithium-ion. De manière générale, les alliages de lithium présentent une densité énergétique théorique supérieure à celle des ions lithium.
Traditionnellement, le LiCoO2 est utilisé comme cathode dans les batteries lithium-ion. La première cathode alternative utilisée avec succès dans les véhicules électriques est le LiFePO4. Le LiFePO4 présente une densité de puissance accrue, une durée de vie plus longue et une sécurité améliorée par rapport au LiCoO2.
Graphène