Des électrolytes cuivre-cellulose pour des batteries au lithium solide

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Des électrolytes cuivre-cellulose pour des batteries au lithium solide

La prochaine génération de batterie au lithium contiendra-t-elle du bois ? C’est en tout cas ce que proposent des chercheurs de l'université Brown et du Maryland dans une étude publiée le 20 octobre dans Nature. En utilisant des nanofibrilles de cellulose avec des ions cuivre comme base d’électrolytes, les auteurs ont réussi à obtenir un matériaux dont la conductivité vis-à-vis des ions lithium est entre 10 et 1000 fois supérieure à celle des autres électrolytes à polymère solides, c’est-à-dire comparable à ce que l’on obtient avec de la céramique.

les batteries lithium-ion tout solide font l'objet d'intenses recherches car elles promettent d'améliorer la densité énergétique des batteries et d'améliorer leur sécurité, en se passant des actuels électrolytes liquides organiques qui présentent des risques d'emballement thermique.

Les matériaux céramiques font partie des options fréquemment étudiées pour les électrolytes solides. Ils jouissent d’une excellente conductivité. Malheureusement, ils sont également rigides et cassants, une combinaison contraignante pour la fabrication. Une autre solution envisagée est celle des électrolytes à polymères solides mais ils présentent une conductivité ionique très faible à température ambiante.

Le matériau introduit par les chercheurs réussit à pallier ces deux défauts en présentant une conductivité similaire à celle de la céramique – 10 à 1000 fois supérieure que celle des électrolytes à polymères solides – tout en offrant une constitution souple et mince, presque comme une feuille de papier.

Une architecture cuivre-cellulose

Cette performance est permise par l’incorporation de cuivre dans des tubes de polymères dérivés du bois. Selon les auteurs de l’étude, le cuivre forme des canaux moléculaires entre les chaînes de polymère de cellulose, normalement isolantes, ce qui permet un transport rapide des ions lithiums.

Pour le fabriquer, un papier de nanofibrilles de cellulose est immergé dans une solution alcaline saturée d'ions Cu 2+. Le cuivre se coordonne progressivement avec les chaînes de cellulose, formant un complexe cuivre-cellulose-hydroxyde de sodium. Ce dernier est ensuite lavé avec de l’eau, puis déplacé avec du diméthylformamide, et évaporé sous vide, laissant derrière lui un matériau solide cuivre-cellulose. Étape finale du processus : les ions lithium sont insérés par trempage dans un électrolyte organique, ce qui permet après séchage d’obtenir la membrane conductrice lithium-cuivre-cellulose.

Vers des batteries à haute densité

Le potentiel de ce nouveau matériau ne s’arrête pas aux batteries au lithium, selon ses concepteurs. « Ce conducteur ionique unidimensionnel permet également la percolation ionique dans des cathodes solides épaisses pour une application dans des batteries à haute densité énergétique. », écrivent-ils. Sa stabilité électrochimique pourrait lui permettre en effet d'agir comme un matériau liant pour envelopper des cathodes ultra-épaisses dans des batteries à haute densité.

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