Des condensateurs lithium-ion à faible coût
Les systèmes de stockage électrochimiques pour l’électricité jouent un rôle central dans l’intégration des sources d’énergies renouvelables et sont sur le point de prendre le contrôle du secteur de l’électromobilité.
Des condensateurs lithium-ion de seconde génération
Il existe deux solutions pour stocker cette énergie: les batteries lithium-ion, qui ont l’avantage d’avoir une grande capacité de stockage, et les condensateurs, qui ont une capacité inférieure, mais qui peuvent se charger et se décharger très rapidement un grand nombre de fois. Les condensateurs lithium-ion (LIC) combinent le meilleur des deux mondes.
Ces matériaux qui composent les condensateurs lithium-ion ne contiennent pas d’ions lithium (ou électrons), contrairement aux batteries. Il est donc nécessaire de procéder à une étape de prélithiation pour pouvoir les ajouter, afin que l’appareil puisse fonctionner.
Deux grandes stratégies sont utilisées aujourd’hui: soit l’un des matériaux constitutifs du condensateur est préludé avant son intégration, soit un additif riche en ions lithium les redistribuera parmi les matériaux du condensateur lors de la première charge.
Cependant ces méthodes sont coûteuses et complexes et peuvent réduire la capacité de stockage de l’appareil. De plus, la majorité des additifs de prélithiation disponibles se détériorent au contact de l’air et / ou des solvants utilisés dans la fabrication des condensateurs lithium-ion. En résumé, même si certaines des solutions proposées fonctionnent aujourd’hui, elles ne sont optimisées.
Utiliser deux additifs
Des chercheurs de l’Institut des matériaux Jean Rouxel 1 (CNRS / Université de Nantes), en collaboration avec Münster Electrochemical Energy Technology (Université de Münster), a relevé ce défi en utilisant non pas un mais deux additifs couplés lors des réactions chimiques consécutives.
Leur analyse montre que la principale barrière des approches antérieures était l’utilisation d’un seul additif, qui devait non seulement fournir des ions et des électrons de lithium, mais aussi offrir un prix compétitif, quant à leur stabilité chimique et leur performance.
L’utilisation de deux additifs ayant chacun un rôle spécifique, l’un fournissant des ions lithium et l’autre des électrons, offre une latitude beaucoup plus grande, car ils peuvent être sélectionnés indépendamment pour leur prix, leurs propriétés chimiques et leurs performances. Lorsqu’un condensateur lithium-ion se charge, le premier additif (le pyrène, naturellement présent dans certains types de charbon) libère des électrons et des protons.
Un autre avantage de cette approche est qu’après la prélithiation, le résidu de l’un des deux additifs utilisés, le pyrène, contribue au stockage des charges, augmentant ainsi la quantité d’énergie électrique stockée dans le dispositif.
Une nouvelle approche offrant des solutions peu coûteuses
L’efficacité et la polyvalence offertes par cette nouvelle approche ouvrent la voie à une solution peu coûteuse pour la prélithiation, générant des condensateurs lithium-ion pouvant stocker plus d’énergie. La suppression de cette barrière technologique devrait donc permettre une commercialisation plus rapide de ces dispositifs.
Cette recherche a été publiée dans Advanced Energy Materials.
Source : CNRS
Crédit photo : Pixabay