Qu'est-ce qu'une batterie au graphène ? [Un aperçu simple]

La technologie des batteries s'est beaucoup améliorée ces jours-ci. Mais s'il y a une chose que les gens ne pourront jamais en avoir assez, c'est la promesse d'une durée de vie prolongée de la batterie. Ne serait-il pas formidable que nos ordinateurs portables et smartphones durent une semaine entière d'utilisation intensive avec une seule charge ? Et si les voitures électriques pouvaient être complètement rechargées en quelques minutes ?

Avec des piles au graphène, tout est possible.

Le graphène est actuellement le matériau le plus étudié pour le stockage de charges. Les résultats de divers laboratoires du monde entier confirment son potentiel de révolutionner l'industrie du stockage d'énergie.

Découvert en 2004, le graphène pourrait présenter de nombreuses nouvelles fonctionnalités pour les dispositifs de stockage d'énergie au cours de la prochaine décennie, telles que des batteries entièrement enroulables, des condensateurs plus petits, des dispositifs à haute capacité et à charge rapide et des batteries transparentes.

Approfondissons et apprenons-en plus sur cette technologie révolutionnaire :en quoi est-elle différente des batteries lithium-ion existantes, quelles sont ses applications et pourquoi c'est si important.

Qu'est-ce qu'une batterie au graphène exactement ?

Le graphène, une feuille d'atomes de carbone disposés dans un réseau en nid d'abeilles bidimensionnel, est reconnu comme un « matériau merveilleux » en raison de ses propriétés uniques. C'est un excellent conducteur de chaleur et d'électricité, incroyablement flexible, presque transparent, 100 fois plus résistant que l'acier de même épaisseur et extrêmement léger.

Atomes dans le graphène disposés dans un réseau en nid d'abeilles à deux dimensions

Et comme le matériau est également respectueux de l'environnement et durable, il offre des possibilités illimitées dans un large éventail d'applications. L'une de ces applications prometteuses est la batterie de nouvelle génération.

Le graphène peut être intégré dans différents types de batteries :métal-air, flux redox, lithium-métal, lithium-soufre, et plus important encore, les batteries lithium-ion. Il peut être transformé chimiquement en différentes versions adaptées aux électrodes négatives et positives.

Les batteries fabriquées avec du graphène peuvent tout alimenter, des appareils portables aux véhicules électriques. Elles détiennent plus de puissance et ont des cycles de vie plus longs que les batteries commerciales (lithium-ion) existantes.

Le graphène en tant que batterie peut également être utilisé comme supercondensateur, qui peut se charger et se décharger incroyablement rapidement. En fait, ils pourraient aider la civilisation à s'éloigner enfin des combustibles fossiles nocifs.

En quoi sont-elles différentes des batteries traditionnelles ?

La technologie des batteries au graphène est similaire aux batteries lithium-ion :elle possède deux électrodes solides et une solution d'électrolyte pour permettre la circulation des ions. Cependant, certaines batteries au graphène contiennent de l'électrolyte solide.

La principale différence réside dans les constituants d'une ou des deux électrodes. Dans une batterie conventionnelle, la cathode (électrode positive) est entièrement constituée de matériaux à l'état solide. Cependant, dans une batterie au graphène, la cathode est constituée d'un composant hybride contenant du graphène et un matériau métallique à l'état solide.

La quantité de graphène utilisée dans l'électrode varie en fonction de l'efficacité et des exigences de performance du matériau à l'état solide. De plus, le graphène, en tant qu'anode, offre une capacité élevée et une capacité de débit supérieure.

Défis actuels

Ces dernières années, les chercheurs ont démontré diverses batteries à base de graphène qui surpassent celles disponibles dans le commerce. Cependant, la technologie n'est pas encore entrée sur le marché. Deux obstacles majeurs doivent encore être surmontés :

1. Le manque de processus efficaces pour produire du graphène de haute qualité en grandes quantités
2. Les coûts de production sont actuellement prohibitifs.

Produire un kilogramme de graphène coûte des dizaines de milliers de dollars :la quantité varie en fonction de l'exigence de qualité des matériaux. Étant donné que le charbon actif actuellement utilisé dans les supercondensateurs est disponible à faible coût (15 $ par kg), il est très difficile pour d'autres matériaux d'entrer sur le marché commercial.

12 nouvelles fonctionnalités des batteries au graphène

Bientôt, le graphène pourrait établir des dispositifs de stockage d'énergie de nouvelle génération dotés de fonctionnalités extraordinaires qui ne sont pas possibles avec la technologie actuelle.

1. Supercondensateurs avec filtrage de ligne CA 

Un condensateur électrique à double couche basé sur des feuilles de graphène orientées verticalement pourrait être chargé/déchargé très rapidement (en moins d'une milliseconde). Des dizaines de matériaux ont été testés pour le filtrage de ligne CA, y compris l'oxyde de graphène, le tapis graphène-CNT (Carbon NanoTube) et les points quantiques de graphène.

De tels supercondensateurs ultrarapides pourraient remplacer les gros condensateurs électrolytiques actuellement utilisés en électronique, rendant les appareils électroniques plus légers et plus petits.

2. Dispositifs de stockage d'énergie flexibles

Les batteries et supercondensateurs existants sont rigides :ainsi, les plier peut entraîner une fuite d'électrolyte et endommager les cellules. Cependant, le graphène, avec sa structure bidimensionnelle d'un atome d'épaisseur, peut être déformé dans la direction normale à sa surface sans causer de dommages.

En plus de cette flexibilité mécanique inhérente, des caractéristiques électriques phénoménales et une grande surface font du graphène un matériau prometteur pour les batteries flexibles.

3. Batteries extensibles et supercondensateurs

Des dispositifs de stockage d'énergie extensibles peuvent être construits en tirant parti de l'extensibilité structurelle des électrodes composites en micro-nid d'abeilles graphène-CNT/matériau actif et d'un électrolyte en gel physiquement réticulé.

Film de graphène-CNT/matière active sur le substrat étirable | Crédit :ACS Nano

Les matériaux actifs interconnectés via les nanotubes de carbone enchevêtrés et les feuilles de graphène fournissent un cadre de réseau poreux mécaniquement stable, tandis que le cadre faisant saillie vers l'intérieur dans la structure en nid d'abeille permet un étirement structurel pendant la déformation.

4. Batteries lithium-ion à charge rapide

Étant donné que le graphène permet un transfert plus rapide des ions et des électrons dans les électrodes, les batteries lithium-ion équipées de graphène peuvent être chargées et déchargées en beaucoup moins de temps.

Par exemple, une batterie lithium-ion chargée de nano-échelle LiFePO₄ cathode et Li₄ Ti₅ O₁₂ les matériaux d'anode sur la mousse de graphène flexible peuvent être complètement chargés en seulement 18 secondes. Le graphène pur peut également être utilisé à l'anode pour améliorer la capacité et le taux de charge/décharge ultrarapide.

5. Piles pour appareils portables 

Les progrès récents dans les électrodes coaxiales et noyau-gaine ont permis de combiner le matériau de l'électrode et le collecteur de courant en un seul fil, qui peut être tissé ou tricoté directement dans les textiles.

Le graphène peut être efficacement assemblé en microfibres multifonctionnelles et tissé en tissus. Les microfibres cœur-gaine en graphène ont déjà été utilisées pour démontrer des supercondensateurs flexibles et extensibles (avec une capacité surfacique élevée) qui peuvent être incorporés dans des textiles à l'aide de méthodes de tissage traditionnelles.

6. Collecteurs de courant ultrafins pour appareils légers

Les batteries existantes utilisent des collecteurs de courant à feuille métallique (tels que le cuivre, l'aluminium ou le nickel) d'une épaisseur de 20 à 80 micromètres pour faciliter le flux d'électrons entre les électrodes et les circuits externes. Étant donné que ces métaux ne stockent pas de charge, ils réduisent la densité énergétique globale de la batterie. De plus, ils souffrent de corrosion, ce qui a un impact négatif sur la résistance interne de la cellule et la durée de vie de la batterie.

Le graphène, en revanche, est un meilleur collecteur de courant alternatif. Il a une conductivité électrique élevée, une faible densité et peut fonctionner de manière stable dans des conditions de fonctionnement extrêmes. Le graphène peut être facilement transformé en films avec des ondulations et des plis à sa surface, ce qui se traduit par un meilleur contact électrique avec les matériaux actifs (cela réduit encore la résistance des cellules).

7. Batteries et supercondensateurs transparents

En raison de sa conductivité élevée et de sa transparence décente (jusqu'à 97,7% de transmission), le graphène peut jouer un rôle important dans l'amélioration de l'efficacité des batteries transparentes. Il peut être utilisé comme matériau d'électrode non seulement pour développer des dispositifs de stockage d'énergie transparents, mais également pour des fenêtres intelligentes, des cellules solaires et divers équipements optoélectroniques.

8. Piles plus durables 

Les batteries lithium-ion d'aujourd'hui utilisent des anodes en graphite. Sa densité énergétique peut être augmentée en remplaçant le graphite par du graphène.

Les électrodes de graphène sous la forme de papier de graphène plié, de films de graphène poreux et d'armatures de graphène solvaté offrent une capacité trois fois supérieure à celle des électrodes de graphite traditionnelles, promettant une autonomie plus longue pour les véhicules électriques et des durées de fonctionnement plus longues pour les appareils portables.

La capacité et la densité de puissance peuvent être encore améliorées en dopant les anodes de graphène avec de l'azote et du bore.

9. Oxyde de graphène comme électrolyte solide et séparateur

L'oxyde de graphène est un bon isolant électronique. Il peut être utilisé à la fois comme électrolyte solide viable et comme séparateur d'électrodes. Certaines études montrent qu'un film d'oxyde de graphène, agissant comme un électrolyte solide, présente une capacité élevée mais avec une diffusion ionique indétectable similaire aux condensateurs diélectriques.

Ces observations pourraient aider les chercheurs à développer des condensateurs ultrarapides, légers et denses en énergie qui ne souffrent pas de la diffusion des ions, qui est souvent responsable des risques de fuite d'électrolyte.

10. Supercondensateurs avec la densité énergétique des batteries

Les supercondensateurs fabriqués avec des mousses de graphène [poreuses et denses] ont tendance à avoir des densités d'énergie ultra-élevées comparables à celles des batteries plomb-acide. Ces mousses de graphène sont fabriquées en creusant de minuscules trous dans les plans basaux du graphène, puis en les compressant avec un équipement hydraulique avancé.

Le principal avantage des supercondensateurs au graphène par rapport aux supercondensateurs traditionnels est qu'ils fonctionnent avec des électrolytes aqueux et peuvent être fabriqués sans aucun assemblage sophistiqué de « salle sèche ».

11. Membranes d'oxyde de graphène semi-perméables

Les membranes en oxyde de graphène présentent diverses caractéristiques de barrière uniques. A l'état sec, ces membranes sont imperméables à tout, à l'exception de la vapeur d'eau. Dans l'eau, ils se comportent comme des tamis moléculaires, bloquant les gros ions tout en facilitant le transport des plus petits.

Ces caractéristiques pourraient conduire au développement de membranes sélectives d'ions de nouvelle génération pour les supercondensateurs, les batteries et les piles à combustible.

12. Électrodes sans liant ni additif

Le liant et les additifs représentent ensemble jusqu'à 40 % de la masse de l'électrode. Elle est connue sous le nom de « masse morte » car elle ne stocke aucune charge et diminue ainsi la densité énergétique globale.

Mais comme le graphène peut être assemblé en structures 2D et 3D autonomes à haute conductivité électrique, il est possible d'incorporer du graphène directement dans les électrodes, sans ajouter de liants ni d'agents conducteurs.

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Études récentes

Au cours de la dernière décennie, les scientifiques se sont concentrés sur l'amélioration des performances électrochimiques globales et de la fiabilité des batteries existantes. Ils ont développé et testé de nombreuses versions différentes de batteries équipées de composites de graphène.

Batterie lithium-ion à base de nanocomposites graphène/silicium optimisés

Les chercheurs ont fabriqué un composite optimisé d'oxyde de graphène/silicium réduit à l'aide d'une méthode d'auto-assemblage facile à utiliser. Le graphène supporte uniformément les nanoparticules de silicium, formant un réseau tridimensionnel (en raison de l'interaction intermoléculaire améliorée et de l'augmentation de la surface spécifique).

La stratégie de synthèse du composite RGO/Si optimisé | Crédit :Publications ACS 

Il peut être utilisé comme feuille d'interphase stable à électrolyte solide, ce qui augmente à la fois la conductivité électrique et la stabilité structurelle.

Cellules de poche à base de graphène

Une batterie lithium-oxygène quasi solide à base de graphène fournit des densités d'énergie gravimétrique et volumétrique plus élevées que les batteries lithium-ion polymère existantes. Il se compose d'une cathode poreuse en graphène 3D, d'une anode poreuse en graphène/Li et d'un électrolyte polymère gel modifié par un médiateur redox.

Illustration schématique batterie Li-O2 à base de graphène | Crédit :Nature 

Cette étude ouvre une nouvelle voie pour le développement de batteries lithium-oxygène sûres et stables avec un cycle stable à grande capacité et une faible surtension de charge.

Films laminés en graphène pour le stockage capacitif d'énergie

En 2020, une équipe de chercheurs a conçu une électrode à film stratifié de graphène autoportante avec une utilisation des pores très efficace. Il est facile de configurer la porosité en ajustant l'espacement intercalaire du film. Étant donné que les pores sont utilisés de manière optimale, la capacité volumétrique est maximisée.

Les supercondensateurs flexibles au graphène peuvent stocker 10 fois plus d'énergie que les supercondensateurs conventionnels | Crédit : University College London 

Ce type de supercondensateurs peut conserver 97,8% de sa capacité énergétique après 5 000 cycles. Ils sont également très flexibles :ils fonctionnent presque de la même manière lorsqu'ils sont pliés à 180 degrés que lorsqu'ils étaient à plat.

Électrode à base de graphène induite par laser

Les scientifiques ont fabriqué un micro-supercondensateur flexible grâce à un emboutissage de réduction photonique laser à impulsion unique. En utilisant cette méthode, 1 000 lasers de forme spatiale peuvent être produits par seconde et plus de 30 000 micro-supercondensateurs peuvent être produits en 10 minutes.

Plus de 30 000 MSC sont fabriqués dans une zone d'un centimètre carré | Crédit :Institut de technologie de Pékin 

Cette électrode à base de graphène induite par laser présente une capacité spécifique exceptionnelle, une constante de temps ultra-courte, une densité d'énergie ultra-élevée et une cyclabilité à long terme.

Marché

La recherche sur le graphène continuera de se développer au cours de la prochaine décennie avec la promesse d'améliorer la vie humaine. En 2019, le marché mondial des batteries au graphène était évalué à 49 millions de dollars et devrait atteindre environ 399 millions de dollars d'ici 2027, enregistrant un TCAC (taux de croissance annuel composé) supérieur à 31 % au cours de la période de prévision.

La croissance du marché est tirée par l'utilisation de batteries au graphène dans les véhicules électriques, les appareils électroniques portables et l'essor de l'adoption de ressources énergétiques non conventionnelles. Le segment automobile devrait avoir le taux de croissance le plus élevé en raison de la demande croissante de voitures électriques en raison de préoccupations environnementales.

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Sur la base de la région, la région Asie-Pacifique devrait représenter la plus grande part de l'industrie des batteries au graphène. Les principaux pays contribuant à l'augmentation de la demande sont la Chine, le Japon et la Corée du Sud. L'Europe aura probablement la deuxième plus grande part du marché mondial des batteries au graphène.