Imaginez que vous n’ayez pas à recharger votre téléphone ou votre ordinateur portable pendant des semaines. C’est le rêve des chercheurs à la recherche de batteries alternatives qui vont au-delà des versions lithium-ion actuelles populaires aujourd’hui. Aujourd’hui, dans une nouvelle étude parue dans la revue Science, des chimistes de plusieurs institutions, dont Caltech et le Jet Propulsion Laboratory, qui est géré par Caltech pour la NASA, ainsi que le Honda Research Institute et le Lawrence Berkeley National Laboratory, ont trouvé une nouvelle façon de fabriquer des piles rechargeables au fluorure, la forme négative, ou anion, de l’élément fluor.
“Les piles au fluorure peuvent avoir une densité énergétique plus élevée, ce qui signifie qu’elles peuvent durer jusqu’à huit fois plus longtemps que les piles utilisées aujourd’hui “, explique Robert Grubbs, co-auteur de l’étude, professeur de chimie Victor and Elizabeth Atkins de Caltech et lauréat du prix Nobel de chimie en 2005. “Mais le fluorure peut être difficile à travailler, en particulier parce qu’il est si corrosif et réactif.”
Dans les années 1970, les chercheurs ont tenté de créer des piles rechargeables au fluorure en utilisant des composants solides, mais les piles à l’état solide ne fonctionnent qu’à des températures élevées, ce qui les rend peu pratiques pour une utilisation quotidienne. Dans la nouvelle étude, les auteurs rapportent enfin comment faire fonctionner les piles au fluorure en utilisant des composants liquides – et les piles liquides fonctionnent facilement à température ambiante.
“Nous en sommes encore aux premiers stades de développement, mais il s’agit de la première pile rechargeable au fluorure qui fonctionne à température ambiante “, explique Simon Jones, chimiste au JPL et auteur correspondant de la nouvelle étude.
Les batteries pilotent les courants électriques en faisant circuler des atomes chargés – ou des ions – entre une électrode positive et une électrode négative. Ce processus de navette se déroule plus facilement à température ambiante lorsqu’il s’agit de liquides. Dans le cas des batteries lithium-ion, le lithium est envoyé entre les électrodes à l’aide d’une solution liquide, ou électrolyte.
“Recharger une batterie, c’est comme pousser une balle en haut d’une colline et la laisser rouler encore et encore “, explique Thomas Miller, co-auteur et professeur de chimie à Caltech. “On va et vient entre le stockage de l’énergie et son utilisation.”
Alors que les ions lithium sont positifs (appelés cations), les ions fluorure utilisés dans la nouvelle étude portent une charge négative (et sont appelés anions). Il y a à la fois des défis et des avantages à travailler avec des anions dans les batteries.
“Pour une batterie qui dure plus longtemps, vous devez déplacer un plus grand nombre de charges. Il est difficile de déplacer des cations métalliques chargés à plusieurs reprises, mais il est possible d’obtenir un résultat similaire en déplaçant plusieurs anions chargés séparément, qui se déplacent relativement facilement “, explique Jones, qui effectue des recherches au JPL sur les sources d’énergie nécessaires aux engins spatiaux. “Les défis de ce schéma sont de faire fonctionner le système à des tensions utilisables. Dans cette nouvelle étude, nous démontrons que les anions sont effectivement dignes d’attention dans la science des batteries car nous montrons que le fluorure peut fonctionner à des tensions suffisamment élevées.”
La clé pour faire fonctionner les piles au fluorure à l’état liquide plutôt qu’à l’état solide s’est avérée être un électrolyte liquide appelé (2,2,2-trifluoroéthyl) éther, ou BTFE. C’est ce solvant qui aide à maintenir l’ion fluorure stable afin qu’il puisse faire circuler les électrons dans la batterie. Jones dit que sa stagiaire de l’époque, Victoria Davis, qui étudie actuellement à l’Université de Caroline du Nord, Chapel Hill, a été la première à penser à essayer le BTFE. Bien que Jones n’avait pas beaucoup d’espoir de succès, l’équipe a décidé de l’essayer quand même et a été surprise que ça marche si bien.
À ce moment-là, Jones s’est tourné vers Miller pour qu’il l’aide à comprendre pourquoi la solution fonctionnait. Miller et son groupe ont effectué des simulations informatiques de la réaction et ont déterminé quels aspects du BTFE stabilisaient le fluorure. A partir de là, l’équipe a pu peaufiner la solution BTFE, en la modifiant avec des additifs pour améliorer ses performances et sa stabilité.
“Nous découvrons une nouvelle façon de fabriquer des batteries plus durables “, explique M. Jones. “Le fluorure fait son retour dans les piles.”
Source :
Matériel fourni par le California Institute of Technology. Original écrit par Whitney Clavin.
