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L’avenir des nanobatteries : pourquoi les nanofils de silicium peuvent devenir la nouvelle star des batteries ?
Au cours des dernières années, le développement de la technologie des nanobatteries a suivi le rythme de la croissance rapide de la demande mondiale de solutions de stockage d’énergie, en particulier avec l’essor des véhicules électriques et des énergies renouvelables. Les nanobatteries utilisent des nanofils pour augmenter la surface des électrodes de la batterie, une conception qui améliore considérablement la capacité de la batterie. Bien que des variantes de batteries lithium-ion à base de silicium, de tantale et d’oxyde de métal de transition aient été proposées, elles n’ont pas encore été commercialisées.
Ces nouvelles batteries remplacent l’électrode négative traditionnelle en graphite et pourraient améliorer considérablement les performances de la batterie.
Le silicium : le nouveau chouchou des batteries
Les matériaux en silicium sont très appréciés pour leur tension de décharge et leur capacité de charge théorique ultra-élevée, et peuvent être un choix idéal pour les futures électrodes négatives des batteries au lithium. Selon la recherche, la capacité théorique du silicium est près de dix fois supérieure à celle de l’anode en graphite standard actuellement utilisée dans l’industrie. Le format nanofil contribue à améliorer encore ces propriétés car il augmente la surface en contact avec l'électrolyte, augmentant ainsi la densité de puissance et permettant une charge et une décharge plus rapides.
Bien que le silicium puisse se dilater jusqu'à 400 pour cent pendant la charge et éventuellement précipiter, la conception du nanofil peut atténuer efficacement cet inconvénient.
Les dommages causés aux nanofils de silicium sont principalement dus au changement de volume pendant le processus de charge, ce qui conduit à la formation de fissures et se manifeste finalement par une perte de capacité. Cependant, le petit diamètre des nanofils réduit efficacement les dommages causés par cette expansion, leur permettant de servir de canaux directs pour le transport de charge tout en se connectant aux collecteurs de courant, par rapport au mouvement particule par particule requis pour les électrodes à base de particules. l'efficacité est grandement améliorée.
Le potentiel du germanium
Un autre avantage des nanofils d’ium allemands est leur capacité théorique élevée et leurs excellentes performances dans le processus d’insertion du lithium. Bien que le tantale se dilate et se décompose également lorsqu'il est chargé, il peut insérer du lithium 400 fois plus efficacement que le silicium, ce qui en fait un matériau d'électrode négative plus attrayant. On dit que les nanofils d'ium allemands peuvent encore conserver une capacité de 900 mAh/g après 1 100 cycles de charge et de décharge.
Applications des oxydes de métaux de transition
Les oxydes de métaux de transition (TMO) tels que Cr2O3, Fe2O3, etc. présentent de nombreux avantages par rapport aux matériaux de batterie traditionnels et constituent des options respectueuses de l'environnement et non toxiques. La capacité énergétique théorique élevée de ces matériaux en fait des candidats pour les batteries lithium-ion. Des recherches ont montré que les nanofils fabriqués à l’aide de TMO ont un grand potentiel en tant qu’électrodes de batterie, et des expériences ont montré qu’ils peuvent fournir une puissance de sortie stable et une longue durée de vie.
Par exemple, les dernières recherches utilisant des nanofils de PbO2 ont montré qu'ils peuvent maintenir une capacité stable de 190 mAh/g après 1 000 cycles de charge et de décharge, ce qui indique que le matériau a le potentiel de devenir un excellent substitut aux batteries au plomb-acide. .
Innovation dans les nanofils d'or
En 2016, une équipe de recherche de l'Université de Californie à Irvine a annoncé un nouveau matériau nanofil capable de résister à plus de 200 000 cycles de charge sans aucune rupture physique. L’avènement de cette technologie devrait favoriser le développement de batteries longue durée, de sorte que les batteries de nombreux produits électroniques n’auront plus besoin d’être remplacées.
Regard vers l'avenir
Bien que de nombreux types de nanobatteries aient montré d’excellentes performances, elles sont toujours confrontées à des défis tels que la fragilité et la stabilité des matériaux. À mesure que la recherche continue de s’approfondir, les nanobatteries pourraient être commercialisées à l’avenir et changer complètement notre compréhension de la technologie des batteries. Aujourd’hui, alors que la technologie des nanobatteries arrive à maturité, nous devrions réfléchir à une question : les nanobatteries peuvent-elles devenir un choix courant dans les futures solutions de stockage d’énergie ?
