Construire une meilleure batterie

Les scientifiques savent pourquoi les batteries lithium-ion libèrent de l’énergie pour alimenter nos téléphones, nos appareils, nos voitures – nos vies. Les atomes de lithium chargés, appelés ions, se déplacent à travers un électrolyte liquide vers des couches de graphite permettant aux électrons de circuler et d'alimenter les appareils. Ce processus est appelé intercalation.

Mais les scientifiques ne comprennent pas grand-chose au processus, a déclaré Scott Warren, professeur agrégé au département de chimie du Collège des Arts et des Sciences. « Comment le lithium entre-t-il et sort-il du graphite ? Comment ça charge. Comment se décharge-t-il ?

Les réponses à ces questions sont ce que Miguel Reyna, étudiant en chimie à Fayetteville, en Caroline du Nord, cherche dans le laboratoire de Warren. Une bourse de recherche d'été de premier cycle de 5 000 $ soutient les recherches de Reyna.

Reyna étudie l'intercalation, qui produit plusieurs couleurs. "Rouge, orange, jaune, bleu, violet – une couleur pour chaque étape distincte de cette transformation", a déclaré Warren. « Ces étapes n'ont pas été entièrement caractérisées. Que se passe-t-il à chacune de ces étapes ?

En reproduisant systématiquement les étapes et en les analysant, Reyna espère améliorer la compréhension des chercheurs sur les batteries et contribuer à leur amélioration. L’un des objectifs est de stocker plus de lithium dans les batteries afin d’augmenter l’énergie nécessaire à une charge plus longue de la batterie.

« C'est comme essayer d'utiliser au maximum le tiroir d'un classeur. Le lithium est le papier. Nous avons un tiroir rempli de dossiers et nous nous demandons combien de morceaux de papier nous pouvons y mettre et cela fonctionne toujours », a déclaré Reyna.

Selon Warren, mettre trop de lithium dans le même espace pour augmenter la tension ou la puissance pourrait faire gonfler, fuir, se fissurer ou subir des réactions chimiques indésirables.

Reyna commence ses expériences en construisant un appareil basé sur l'anatomie des piles domestiques avec deux électrodes : une positive et une négative. Ils stockent et libèrent des ions lithium pendant la charge et la décharge, comme une éponge absorbe l'eau puis la libère lorsqu'elle est pressée. Un électrolyte, généralement un liquide contenant du sel de lithium dissous, conduit ou permet aux ions lithium de circuler entre les électrodes pour stocker et produire de l'énergie électrique.

Une lame de laboratoire en verre constitue la base de l'appareil. Reyna utilise une machine de pulvérisation pour recouvrir la lame d'une couche brillante de titane fine comme une bulle de savon. Il colle un cadre en téflon (pensez au cadre de fenêtre rectangulaire miniature) sur la diapositive avec de l'époxy. Avec de longues pinces, il dépose une couche de graphite aussi fine qu'un cheveu humain à l'intérieur de la monture, puis applique un voltmètre pour s'assurer qu'elle conduit l'électricité.

Une fois l'époxy pris en trois jours, nous nous dirigeons vers un espace de travail appelé boîte à gants dépourvu d'oxygène. Reyna place l'appareil dans la boîte à travers un sas, puis atteint l'intérieur avec de longs gants en caoutchouc attachés aux trous de la boîte pour maintenir la diapositive. Il ajoute du lithium sous forme liquide et scelle l'appareil.

Ensuite, il place l'appareil sous un microscope optique pour vérifier la qualité de l'appareil. Si la structure est solide, il commence à filmer l'intercalation pendant quatre heures. C'est là qu'il espère voir les étapes de migration en couleurs.

Ses objectifs sont de reproduire systématiquement l'appareil et l'expérience et de voir un modèle de progression affiché au cours de nombreuses expériences. "J'espère peaufiner cet appareil pour que nous puissions voir parfaitement les couleurs." Une fois qu’il voit systématiquement le motif, l’équipe peut utiliser d’autres méthodes d’imagerie pour en savoir plus sur l’intercalation.

"Si nous pouvons comprendre les principes fondamentaux, nous pourrions trouver comment le rendre plus efficace, peut-être apporter une certaine innovation aux batteries", a déclaré Reyna.