Le graphène, une feuille d'atomes de carbone liés ensemble dans un réseau en nid d'abeille, est largement reconnu comme un "matériau merveilleux" en raison de la myriade d'attributs étonnants qu'il détient. C'est un puissant conducteur d'énergie électrique et thermique, extrêmement léger chimiquement inerte et flexible avec une grande surface. Il est également considéré comme écologique et durable, avec des possibilités illimitées pour de nombreuses applications.
Les avantages des batteries au graphène
Dans le domaine des batteries, les matériaux d'électrode de batterie conventionnels (et potentiels) sont considérablement améliorés lorsqu'ils sont améliorés avec du graphène. Une batterie au graphène peut être légère, durable et adaptée au stockage d'énergie à haute capacité, tout en raccourcissant les temps de charge. Cela prolongera la durée de vie de la batterie, qui est négativement liée à la quantité de carbone qui est enduite sur le matériau ou ajoutée aux électrodes pour obtenir la conductivité, et le graphène ajoute de la conductivité sans nécessiter les quantités de carbone utilisées dans les batteries conventionnelles.
Le graphène peut améliorer les attributs de la batterie tels que la densité d'énergie et la forme de diverses manières. Les batteries Li-ion (et d'autres types de batteries rechargeables) peuvent être améliorées en introduisant du graphène dans l'anode de la batterie et en capitalisant sur la conductivité et les caractéristiques de grande surface du matériau pour obtenir une optimisation et des performances morphologiques.
Il a également été découvert que la création de matériaux hybrides peut également être utile pour améliorer la batterie. Un hybride d'oxyde de vanadium (VO2) et le graphène, par exemple, peuvent être utilisés sur des cathodes Li-ion et permettent une charge et une décharge rapides ainsi qu'une grande durabilité du cycle de charge. Dans ce cas, VO2 offre une capacité énergétique élevée mais une faible conductivité électrique, ce qui peut être résolu en utilisant le graphène comme une sorte de «colonne vertébrale» structurelle sur laquelle attacher VO2 – créer un matériau hybride qui a à la fois une capacité accrue et une excellente conductivité.
Un autre exemple est celui des batteries LFP (Lithium Iron Phosphate), c'est-à-dire une sorte de batterie Li-ion rechargeable. Il a une densité d'énergie inférieure à celle des autres batteries Li-ion mais une densité de puissance plus élevée (un indicateur de la vitesse à laquelle l'énergie peut être fournie par la batterie). L'amélioration des cathodes LFP avec du graphène a permis aux batteries d'être légères, de se charger beaucoup plus rapidement que les batteries Li-ion et d'avoir une plus grande capacité que les batteries LFP conventionnelles.
En plus de révolutionner le marché des batteries, l'utilisation combinée des batteries au graphène et du graphène supercondensateurs pourrait donner des résultats étonnants, comme le concept noté d'amélioration de l'autonomie et de l'efficacité de la voiture électrique. Alors que les batteries au graphène n'ont pas encore atteint une commercialisation généralisée, des percées dans les batteries sont signalées dans le monde entier.
Les batteries servent de source d'alimentation mobile, permettant aux appareils fonctionnant à l'électricité de fonctionner sans être directement branchés sur une prise. Bien qu'il existe de nombreux types de batteries, le concept de base selon lequel elles fonctionnent reste similaire : une ou plusieurs cellules électrochimiques convertissent l'énergie chimique stockée en énergie électrique. Une batterie est généralement constituée d'un boîtier en métal ou en plastique, contenant une borne positive (une anode), une borne négative (une cathode) et des électrolytes qui permettent aux ions de se déplacer entre eux. Un séparateur (une membrane polymère perméable) crée une barrière entre l'anode et la cathode pour empêcher les courts-circuits électriques tout en permettant le transport des porteurs de charge ioniques nécessaires pour fermer le circuit lors du passage du courant. Enfin, un collecteur sert à conduire la charge à l'extérieur de la batterie, à travers l'appareil connecté.
Lorsque le circuit entre les deux bornes est terminé, la batterie produit de l'électricité par une série de réactions. L'anode subit une réaction d'oxydation dans laquelle deux ou plusieurs ions de l'électrolyte se combinent avec l'anode pour produire un composé, libérant des électrons. Dans le même temps, la cathode subit une réaction de réduction dans laquelle la substance cathodique, les ions et les électrons libres se combinent en composés. En termes simples, la réaction d'anode produit des électrons tandis que la réaction dans la cathode les absorbe et à partir de ce processus, de l'électricité est produite. La batterie continuera à produire de l'électricité jusqu'à ce que les électrodes soient à court de substance nécessaire à la création de réactions.
Les batteries sont divisées en deux types principaux : primaire et secondaire. Les batteries primaires (jetables) sont utilisées une seule fois et rendues inutiles car les matériaux d'électrode qu'elles contiennent changent de manière irréversible pendant la charge. Des exemples courants sont la pile zinc-carbone ainsi que la pile alcaline utilisée dans les jouets, les lampes de poche et une multitude d'appareils portables. Les batteries secondaires (rechargeables) peuvent être déchargées et rechargées plusieurs fois car la composition d'origine des électrodes est capable de retrouver sa fonctionnalité. Les exemples incluent les batteries au plomb utilisées dans les véhicules et les batteries lithium-ion utilisées pour l'électronique portable.
Les batteries se présentent sous différentes formes et tailles pour d'innombrables utilisations différentes. Différents types de batteries présentent des avantages et des inconvénients variés. Les batteries au nickel-cadmium (NiCd) ont une densité d'énergie relativement faible et sont utilisées là où une longue durée de vie, un taux de décharge élevé et un prix économique sont essentiels. Ils peuvent être trouvés dans les caméras vidéo et les outils électriques, entre autres utilisations. Les batteries NiCd contiennent des métaux toxiques et ne sont pas respectueuses de l'environnement. Les batteries nickel-hydrure métallique ont une densité d'énergie plus élevée que les batteries NiCd, mais aussi une durée de vie plus courte. Les applications incluent les téléphones portables et les ordinateurs portables. Les batteries plomb-acide sont lourdes et jouent un rôle important dans les applications à grande puissance, où le poids n'est pas essentiel mais le prix économique l'est. Ils sont répandus dans des utilisations telles que l'équipement hospitalier et l'éclairage de secours.
Les batteries lithium-ion (Li-ion) sont utilisées là où une haute énergie et un poids minimal sont importants, mais la technologie est fragile et un circuit de protection est nécessaire pour assurer la sécurité. Les applications incluent les téléphones portables et divers types d'ordinateurs. Les batteries lithium-ion polymère (Li-ion polymère) se trouvent principalement dans les téléphones mobiles. Ils sont légers et bénéficient d'une forme plus fine que celle des batteries Li-ion. Ils sont aussi généralement plus sûrs et ont une durée de vie plus longue. Cependant, ils semblent être moins répandus car les batteries Li-ion sont moins chères à fabriquer et ont une densité d'énergie plus élevée.
Bien qu'il existe certains types de batteries capables de stocker une grande quantité d'énergie, elles sont très grandes, lourdes et libèrent de l'énergie lentement. Les condensateurs, en revanche, sont capables de se charger et de se décharger rapidement mais contiennent beaucoup moins d'énergie qu'une batterie. L'utilisation du graphène dans ce domaine présente cependant de nouvelles possibilités intéressantes pour le stockage de l'énergie, avec des taux de charge et de décharge élevés et même un prix abordable. Les performances améliorées par le graphène brouillent ainsi la ligne de distinction conventionnelle entre supercondensateurs et piles.
Les batteries au graphène combinent les avantages des batteries et des supercondensateurs
Les batteries à base de graphène ont un potentiel passionnant et, bien qu'elles ne soient pas encore entièrement disponibles dans le commerce, la R&D est intensive et, espérons-le, donnera des résultats à l'avenir. Des entreprises du monde entier (y compris Samsung, Huawei et d'autres) développent différents types de batteries améliorées au graphène, dont certaines entrent maintenant sur le marché. Les principales applications sont dans les véhicules électriques et les appareils mobiles.
Certaines batteries utilisent le graphène de manière périphérique - pas dans la chimie de la batterie. Par exemple en 2016, Huawei a dévoilé une nouvelle batterie Li-Ion améliorée au graphène qui utilise le graphène pour rester fonctionnel à des températures plus élevées (60° degrés par opposition à la limite existante de 50°) et offre un temps de fonctionnement double. Le graphène est utilisé dans cette batterie pour une meilleure dissipation de la chaleur - il réduit la température de fonctionnement de la batterie de 5 degrés.
Source: Batteries au graphène : introduction et actualités du marché | Graphène-Info
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