Lorsque les températures descendent sous le point de congélation, les batteries lithium-ion ne peuvent pas conserver autant de charge, elles ne se rechargent donc pas très bien. Des chercheurs de l'Université chinoise de Jiaotong affirment qu'ils ont maintenant surmonté ce problème en remplaçant l'anode en graphite traditionnelle de ces appareils par un matériau à base de carbone « bosselé ». La nouvelle structure maintient sa capacité de stockage rechargeable jusqu'à -20°C, ce qui lui permet d'être utilisée dans des environnements froids tels que ceux trouvés à haute altitude, dans les applications aérospatiales et pour l'exploration en haute mer, ainsi que dans d'autres véhicules électriques qui besoin de travailler dans des conditions extrêmes.

Les batteries lithium-ion sont largement utilisées dans des applications allant des téléphones portables aux véhicules électriques. Ces appareils ont une grande capacité et une haute densité d'énergie, ce qui signifie qu'ils peuvent stocker beaucoup de charge très rapidement. Pendant la charge, les ions lithium se déplacent de la cathode à l'anode via un électrolyte, qui est généralement constitué d'un sel de lithium dissous dans un solvant organique liquide. À des températures proches de zéro degré Celsius, cependant, les anodes de ces dispositifs peuvent ne pas transférer de charge - un phénomène connu sous le nom de dégradation sévère de la capacité.

Structure de surface d'anode modifiée

Des chercheurs ont récemment découvert que l'orientation plate du graphite dans l'anode de la batterie lithium-ion est responsable de la diminution de la capacité de stockage d'énergie de la batterie à basse température. Dans le nouveau travail, une équipe de chercheurs dirigée par Wang Xi  of École de sciences physiques et d'ingénierie de l'Université Jiaotong et Jiannian Yao du Laboratoire national de Pékin pour les sciences moléculaires a donc choisi de modifier la structure de surface de cette anode pour tenter d'améliorer le processus de transfert d'énergie dans l'électrode.

Pour fabriquer leur nouveau matériau "bosselé", Wang, Yao et leurs collègues ont commencé par chauffer un matériau zéolite contenant du cobalt, appelé ZIF-67, à des températures élevées. Cela crée une surface composée de nanosphères de carbone à 12 côtés qui a une courbure positive, comme un bol. Le matériau a une capacité réversible - une mesure de la capacité d'une batterie après de nombreux cycles - de 624 mAh/g à -20°C, ce qui équivaut à 85.9 % de sa capacité énergétique à température ambiante. Même à -35°C, la capacité réversible était toujours conservée à 160 mAh/g après 200 cycles.

Extension de la gamme d'applications des batteries Li-ion

Les calculs des chercheurs ont révélé que la surface nouvellement bosselée, en effet, réveille le comportement lent de l'anode Li-ion à basse température grâce à l'accumulation locale de charges qui occupent des sp non coplanaires.² orbitales hybridées. Ces charges accumulées facilitent le processus de transfert de charge.

"Ce travail pourrait étendre la gamme d'applications des batteries Li-ion à basse température", a déclaré Wang. "Du point de vue théorique, l'idée serait de construire un pont entre les performances à basse température de Li⁺ le stockage et sa géométrie à travers la structure électronique, ce qui pourrait ouvrir de nouvelles voies de recherche pour les matériaux d'électrode avancés », a-t-il déclaré. Monde de la physique.

Les chercheurs admettent que la nouvelle anode est loin d'être optimisée et qu'il reste de nombreuses inconnues à résoudre. "Nous recherchons bien sûr la coopération d'autres laboratoires pour étendre davantage l'aspect pratique de ce travail", a déclaré Wang.

Ils détaillent leur étude dans ACS Cent. SCI.