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Une grande partie de notre technologie, des smartphones aux voitures électriques, repose sur des batteries lithium-ion pour l'énergie. Bien que pleines d'avantages, ces batteries courantes présentent également un risque d'incendie et d'explosion. Les batteries sodium-ion à semi-conducteurs sont beaucoup plus sûres, mais jusqu'à présent, elles n'ont pas été en mesure de démontrer les performances qui compenseraient leurs avantages en matière de sécurité.
Tout cela est sur le point de changer grâce aux recherches de scientifiques de l'Université de Houston. Le chercheur principal Yan Yao, professeur agrégé de génie électrique et informatique a rédigé un article dans la revue Joule qui décrit le développement d'une cathode organique qui améliore considérablement la stabilité et la densité d'énergie dans les batteries sodium-ion à semi-conducteurs.
Clé de réversibilité
Une batterie lithium-ion conventionnelle contient des électrolytes liquides qui peuvent stocker de grandes quantités d'énergie. Les batteries sodium-ion à semi-conducteurs ont un noyau d'électrolyte solide qui est généralement incapable de produire les mêmes quantités d'énergie. Cependant, des recherches récentes ont fourni un électrolyte solide qui est aussi conducteur que les électrolytes liquides utilisés dans les batteries lithium-ion.
Le dernier défi pour obtenir une batterie sodium-ion à semi-conducteurs hautement efficace était de trouver des interfaces solides. La recherche a deux conclusions principales liées à ce problème. Le premier est que: "l'interface résistive entre l'électrolyte et la cathode qui se forme couramment pendant le cyclage peut être inversée, prolongeant la durée de vie du cycle."
La seconde est que: "la flexibilité de la cathode organique lui a permis de maintenir un contact intime à l'interface avec l'électrolyte solide, même lorsque la cathode s'est dilatée et contractée pendant le cyclage".
Stable et plus puissant
La cathode organique - connue sous le nom de PTO, pour pyrène-4,5,9,10-tétraone offre de nombreux avantages par rapport aux cathodes inorganiques précédentes. "Nous avons découvert pour la première fois que l'interface résistive qui se forme entre la cathode et l'électrolyte peut être inversée", a déclaré Yao. "Cela peut contribuer à la stabilité et à une durée de vie plus longue."
Yao est également chercheur principal au Texas Center for Superconductivity à UH. Son groupe de recherche se concentre sur les matières organiques vertes et durables pour la production et le stockage d'énergie. La réversibilité de l'interface est la principale différence dans la nouvelle batterie. Cette agilité permet à la batterie à semi-conducteurs d'atteindre une densité d'énergie plus élevée sans sacrifier la durée de vie du cycle.
Le maintien d'un contact intime entre l'électrolyte et la cathode rigide lorsque la cathode se dilate et se contracte pendant le cycle de la batterie a été un problème dans le passé. Mais la nouvelle recherche montre que la cathode organique peut surmonter ce problème.
La cathode organique est beaucoup plus flexible et peut maintenir le contact à tout moment avec l'interface améliorant la durée de vie du cyclage. Les chercheurs ont déclaré que le contact est resté stable pendant au moins 200 cycles. «Si vous avez un contact fiable entre l'électrode et l'électrolyte, vous aurez de grandes chances de créer une batterie à semi-conducteurs haute performance», a déclaré Fang Hao, doctorant et membre de l'équipe de Yao.
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