Optimiser nos batteries

Israël

Actualité
Israël | Science de la matière : matériaux, physique, chimie, optique
7 juin 2019

Alors que notre monde dépend de plus en plus de l’utilisation de batteries pour alimenter nos ordinateurs, téléphones, voitures ou même nos maisons, il devient crucial de pouvoir fabriquer des batteries légères, puissantes et dont le chargement est rapide. Au cœur des batteries se cachent des mécanismes issus de la physique et de la chimie, il est donc nécessaire de comprendre en détails les processus en jeu. Des chercheurs de l’Institut Weizmann et de l’Université de Californie (Santa Barbara) ont développé une méthode permettant d’en apprendre plus sur le fonctionnement des batteries.

Une batterie peut être vue comme une source d’électrons, ces particules chargées se déplaçant d’un bout à l’autre de la batterie en passant par le cœur de nos appareils électroniques. Il faut néanmoins pouvoir stocker ces électrons quelque part avant de pouvoir les utiliser. En général, il n’est pas possible d’emmagasiner des charges dans le volume d’un matériau car ces dernières se dirigent naturellement vers les surfaces. Afin de pouvoir stocker le plus de charges possibles, les ingénieurs utilisent des matériaux poreux dont la surface utile est très importante, puisque les charges peuvent se loger dans tous les petits recoins et cavités. En revanche, une charge dans un tel matériau a du mal à se déplacer car elle doit pouvoir trouver son chemin dans ce paysage cabossé. Par conséquent, l’efficacité de charge ainsi que la puissance que peut délivrer la batterie se retrouvent amoindries, mais sa capacité de stockage augmente. Il est donc important de savoir caractériser le transport de charges dans de tels matériaux car cela a un intérêt non seulement fondamental mais aussi pratique pour les ingénieurs.

Illust: Image. Vue au micros, 21.6 ko, 605x137
Image. Vue au microscope d’un matériau poreux qui pourrait typiquement être utilisé dans une batterie. Les zones noires sont des cavités qui peuvent accueillir des particules chargées (crédits : Joe Monk/Wikimedia)

Une équipe de chercheurs de l’Institut Weizmann dirigée par Prof. Jacob Klein, en collaboration avec Prof. Philip Pincus de l’Université de Californie (Santa Barbara), a développé une technique permettant de mesurer la vitesse de propagation d’électrons dans des matériaux poreux. Les scientifiques ont par hasard compris que leur recherche pouvait s’appliquer à la compréhension du fonctionnement des batteries. En effet, ils ont commencé leur étude en cherchant à mesurer la force ressentie par deux plaques très proches (les plaques sont lisses, mais le fait qu’elles soient très proches simule une petite cavité dans un matériau qui serait poreux l’une de l’autre (50 milliardièmes de mètres), l’une étant chargée et le tout étant plongé dans une solution ionique. Cette force est importante juste après le chargement de l’une des plaques puis diminue au fur et à mesure que sa charge est transférée sur l’autre plaque. Mesurer cette force revient donc à mesurer le temps de propagation des électrons d’une plaque à l’autre !

Les chercheurs ont réalisé que la durée du transfert diminue lorsque la distance entre les plaques augmente ou lorsqu’ils augmentent la concentration en ions de la solution. Leur dispositif expérimental est donc un outil idéal pour contribuer à l’optimisation de la fabrication des batteries. En effet, il permet de tester rapidement et relativement simplement l’efficacité d’une combinaison de matériau poreux et de solution ionique. Tout ce travail rendra un jour nos smartphones plus fins et légers !

Sources :
https://wis-wander.weizmann.ac.il/chemistry/slits-nooks-and-pores-how-do-they-hold-their-charges
https://www.nature.com/articles/s41467-018-06364-1

Rédacteur : Arnaud Courvoisier, doctorant à l’Institut Weizmann

PLAN DU SITE