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De nouvelles batteries imitant l’intestin pourraient stocker 5 fois plus d’énergie

La prochaine génération de batterie pour smartphone inspirée de l’intestin

Computer visualisation of villi-like battery material. University of Cambridge Credit: Teng Zhao

Computer visualisation of villi-like battery material.
University of Cambridge
Credit: Teng Zhao

Des scientifiques ont mis au point un nouveau prototype de batterie inspirée de l’anatomie de l’intestin humain, et cette approche fondée sur la biologie pourrait mener à des sources d’énergie plus puissantes pour équiper nos dispositifs numériques.

Le prototype – qui offre jusqu’à cinq fois la densité énergétique des batteries au lithium-ion que nous utilisons dans les smartphones et les ordinateurs portables – utilise quant à lui des cellules au lithium-soufre. Son design imite l’intestin et pourrait enfin prolonger suffisamment la vie de ces batteries denses en énergie pour une utilisation commerciale.

La recherche, menée par une équipe de l’Université de Cambridge au Royaume-Uni, surmonte l’un des principaux inconvénients des batteries au lithium-soufre qui se dégradent beaucoup plus rapidement que les cellules au lithium-ion malgré leur densité énergétique supérieure.

Lorsqu’une batterie au lithium-soufre se décharge, le soufre dans la cathode (l’électrode positive de la batterie) absorbe le lithium de l’anode (l’électrode négative). Cette interaction engendre la transformation des molécules de soufre en des structures en forme de chaînes appelées polysulfures.

Lorsque la batterie passe par plusieurs cycles de charge-décharge, la réaction commence à solliciter la cathode, les chaînes de polysulfures se rompent et pénètrent dans l’électrolyte qui lie les deux électrodes. Lorsque cela se produit, la batterie commence à se dégrader puisqu’elle perd le matériau actif qui stocke l’énergie. Et c’est là que la structure inspirée de l’intestin entre en scène.

Dans le corps humain, notre intestin grêle est couvert de millions de petites protrusions semblables à des doigts appelées des villosités. Ces dernières s’étendent à l’intérieur des parois intestinales et nous aident à absorber les nutriments pendant la digestion. Ils le font en augmentant considérablement la surface de notre muqueuse intestinale, jusqu’à environ 30 fois.

En utilisant le même principe, l’équipe a développé une nanostructure légère imitant les villosités. Ainsi, lorsque les polysulfures se rompent, ils sont pris par les protrusions au lieu d’être perdus dans l’électrolyte.

La structure en villosités est un film constitué de minuscules fils d’oxyde de zinc qui couvre la surface des électrodes de la batterie. Ces fils captent efficacement le matériau actif de la batterie quand elle se détache, permettant à la cathode et à l’anode de conserver leurs capacités électromécaniques et évitant à la batterie de se dégrader.

« C’est une chose minuscule, mais c’est important » déclare le spécialiste des matériaux Paul Coxon de l’Université de Cambridge. « Nous allons ainsi pouvoir passer à une nouvelle ère dans le développement de batteries plus efficaces ».

A typical lithium-ion battery. Credit: Royal Society of Chemistry/ M. Saiful Islam and Craig A. J. Fisher

A typical lithium-ion battery. Credit: Royal Society of Chemistry/ M. Saiful Islam and Craig A. J. Fisher

Bien que les batteries au lithium-soufre soient développées depuis de nombreuses années, il a été difficile de commercialiser cette technologie en raison de la façon dont les cellules perdent leur capacité lorsque le soufre se dissout dans l’électrolyte. Mais grâce à cette structure en villosités, ce problème est peut-être résolu.

« C’est la première fois qu’un film chimique fonctionnel possédant une nano-architecture bien organisée est proposé pour capter et réutiliser les matériaux actifs dissous lorsque la batterie se charge et se décharge » affirme l’un des chercheurs, Teng Zhao.

« En s’inspirant de la nature, nous sommes capables d’apporter une solution qui, nous l’espérons, accélèrera le développement de batteries de nouvelle génération ».

Lors des tests, la nanostructure a montré que le prototype perdait 0,05 % seulement de sa capacité énergétique par cycle après 200 cycles de charge, la rendant presqu’aussi stable que lorsqu’on utilise uniquement du lithium-ion – qui perd entre 0.025 et 0.048 % de capacité énergique par cycle.

Les chercheurs reconnaissent que leur prototype n’est encore qu’un concept, et qu’il faudra des années avant de voir des batteries au lithium-soufre dans nos smartphones, appareils photos, et autres équipements portables.

Mais maintenant que nous savons comment stabiliser cette plate-forme énergétique, cela signifie que nous avons fait un grand pas vers des batteries plus puissantes, sans nous embarrasser des limitations du lithium-ion.

« C’est un moyen de passer outre ces petits problèmes gênants qui nous polluent la vie » déclare Coxon. « Nous sommes tous attachés à nos appareils. En définitive, nous essayons seulement de rendre ces équipements plus performants, dans l’espoir de rendre nos vies plus agréables ».

Teng Zhao et al. ‘Advanced Lithium-Sulfur Batteries Enabled by a Bio-Inspired Polysulfide Adsorptive Brush.’ Advanced Functional Materials (2016). DOI: 10.1002/adfm.201604069

Traduction Virginie Bouetel

Science Alert

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