La batterie aluminium-graphène chargée en 5 secondes fonctionne de –40°C à 120°C, 250 000 cycles

• Les ingénieurs ont créé une nouvelle batterie qui fonctionne dans une plage de températures allant de -40 °C à 120 °C et peut être chargée en 5 secondes. 
• Il peut conserver 91 % de sa capacité après 250 000 cycles de charge-décharge. 
• La batterie est extrêmement flexible, supportant 10 000 fois de pliage. 

Des ingénieurs de l'Université du Zhejiang, en Chine, ont développé une batterie au graphène en aluminium ultra-rapide, toutes saisons et à cycle long, offrant des performances supérieures, notamment en termes de temps de charge. Une fois la production commerciale démarrée, la batterie pourrait être complètement chargée en 5 secondes, puis durer deux heures.

Les chercheurs en matériaux et en ingénierie qui ont développé la batterie affirment qu'elle est plus résistante au froid, moins inflammable et peut fonctionner dans une plage de températures allant de -40°C à 120°C. Cependant, peu d'experts du secteur ont jeté un regard dubitatif sur ces affirmations.

Le pôle négatif de la batterie est en aluminium et le pôle positif en graphène. Elle est capable de conserver 91 % de sa capacité après un quart de million de cycles de charge-décharge – bien mieux que la batterie au lithium actuelle. Il est conçu pour les appareils énergétiques tous climats et possède une flexibilité remarquable, supportant 10 000 fois de pliage.

S'il est intégré aux smartphones, il pourrait être chargé en 5 secondes et utilisé pendant deux heures. De plus, la batterie dure jusqu'à 70 ans sans perdre sa capacité, même si le téléphone est chargé 10 fois par jour.

Conception et performances

Pour construire le matériau cathodique de la batterie aluminium-ion, ils ont choisi le graphite, le graphène, le soufre et le sulfure métallique. Le carbone graphitique offre des fonctionnalités telles qu'une charge rapide et un cyclisme stable. Pour une telle cathode à base de carbone, les ingénieurs ont pris en compte 4 exigences –

1. Réseau de graphène hautement cristallisé.
2. Matrice continue conductrice d'électrons pour le transport de courants importants et l'atténuation de la polarisation interne.
3. Haute résistance mécanique et module d'Young pour empêcher l'effondrement du matériau.
4. Canaux interconnectés, facilitant une perméabilité élevée aux électrolytes et une diffusion ionique.

Pour répondre à ces exigences, ils ont construit un film de graphène idéal fabriqué par rotation humide ou par coulée d'une solution de cristaux liquides d'oxyde de graphène (GO) dans un film GO, suivi d'une réduction chimique pour former un film GO réduit (rGO) et d'un recuit à haute température.

Une feuille de graphène parfaitement alignée conduit à une conductivité électrique et à des propriétés mécaniques plus élevées que les mousses de graphène composées de feuilles de graphène non orientées. Le film rGO a ensuite été recuit à 2 850 degrés Celsius pour restaurer les défauts atomiques, se transformant en un long film de graphène rubané continu.

Les performances d’une batterie dépendent principalement de la vitesse à laquelle les électrons et les ions circulent entre les électrodes négatives et positives. Le matériau de l’électrode doit permettre au plus grand nombre d’électrons et d’ions de circuler librement. Si la route est trop fréquentée, les performances en seront affectées. C’est la raison pour laquelle il faut veiller à la qualité, à l’orientation et à la porosité des microstructures. Et des réseaux conducteurs, des canaux de transport d'ions et des canaux ioniques dans une macrostructure.

Référence :Sciencemag | DOI :10.1126/sciadv.aao7233 | Université du Zhejiang

Ce principe de conception permet à la batterie aluminium-graphène de faire un grand pas en avant et d'offrir des performances étonnantes. Auparavant, la capacité de la batterie en aluminium oscillait autour de 60 mAh/g, avec un cycle de charge-décharge inférieur à des milliers de fois.

La batterie a allumé la LED ZJU-120 | Crédit image :Université du Zhejiang

Après les tests, la capacité de l'électrode positive en graphène de 120 mAh/g, après 25 millions de cycles de charge-décharge, maintenait toujours la capacité de 91 %. Au même moment, une charge rapide pourrait être remplie en 1,1 seconde, maintenant une capacité réversible de 111 mAh/g.

Certains experts ne sont pas fascinés par les résultats

Selon un expert du secteur, Zheng Jiatu, directeur général adjoint de China Electric Vehicle Charging Technology, les résultats publiés par l’équipe ne semblent pas prometteurs. "Les chiffres doivent être lus avec prudence", même tester un cycle de charge-décharge d'un quart de million prendrait en soi très longtemps. Ces résultats sont plus probablement des expériences réalisées sur un modèle de données simulé plutôt que des tests de prototypes.

De plus, la commercialisation nécessiterait plusieurs choses qui ne sont pas claires. Certains des facteurs clés incluent le rapport qualité-prix, l’intensité énergétique d’un type particulier de batterie, la sécurité, la fiabilité et un modèle commercial mature. Il existe de nombreuses autres technologies éprouvées et prêtes à l'emploi qui n'ont pas encore été commercialisées.

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Cependant, a déclaré l’équipe de recherche, il leur reste encore un long chemin à parcourir et de nombreux obstacles à surmonter. Ils pensent que la « super » batterie est bien meilleure que les batteries lithium-ion, mais il y a encore beaucoup de choses à améliorer. De plus, l'électrolyte liquide ionique conventionnel est assez cher. Si l'on pouvait trouver des électrolytes moins chers, les opportunités commerciales pour les batteries aluminium-ion seraient plus larges.