Le graphène, une couche d'atomes de carbone connectés en motif alvéolaire, est reconnu comme un "matériau miracle" en raison de ses nombreuses propriétés étonnantes. Il est un excellent conducteur d'énergie électrique et thermique, extrêmement léger, chimiquement inerte, flexible avec une grande surface. De plus, il est considéré comme respectueux de l'environnement et durable, avec des possibilités illimitées pour de nombreuses applications.

Avantages des batteries au graphène

Dans le domaine des batteries, les matériaux de batterie traditionnels (et les matériaux potentiels) sont considérablement améliorés lorsqu'ils sont renforcés avec du graphène. Une batterie au graphène peut être légère, durable et adaptée au stockage d'énergie à haute capacité tout en réduisant les temps de charge. Elle prolongera la durée de vie de la batterie, ce qui est négativement corrélé avec la quantité de carbone appliquée au matériau ou ajoutée aux électrodes pour atteindre la conductivité, et le graphène ajoute de la conductivité sans les quantités de carbone utilisées dans les batteries traditionnelles.

Le graphène et les caractéristiques des batteries

Le graphène peut améliorer les caractéristiques des batteries telles que la densité énergétique et la forme de diverses manières. Les batteries Li-Ion (et autres types de batteries rechargeables) peuvent être améliorées en introduisant du graphène dans l'anode de la batterie et en bénéficiant de la conductivité et des grandes propriétés de surface du matériau pour atteindre l'optimisation morphologique et les performances.

Il a également été découvert que la fabrication de matériaux hybrides peut également être utile pour améliorer les batteries. Un hybride d'oxyde de vanadium (VO2) et de graphène peut par exemple être utilisé sur des cathodes Li-Ion et offrir des cycles de charge et de décharge rapides ainsi qu'une grande résistance aux cycles de charge. Dans ce cas, le VO2 offre une grande capacité énergétique, mais une mauvaise conductivité électrique, qui peut être résolue par l'utilisation du graphène comme une sorte de "squelette" structurel auquel le VO2 est fixé - créant ainsi un matériau hybride offrant à la fois une capacité accrue et une excellente conductivité.

Un autre exemple est celui des batteries LFP (phosphate de fer lithium), un type de batterie Li-Ion rechargeable. Elle a une densité énergétique plus faible que les autres batteries Li-Ion, mais une densité de puissance plus élevée (un indicateur de la vitesse à laquelle l'énergie peut être délivrée par la batterie). L'amélioration des cathodes LFP avec du graphène rend les batteries légères, charge beaucoup plus rapidement que les batteries Li-Ion et a une plus grande capacité que les batteries LFP traditionnelles.

En plus de révolutionner le marché des batteries, l'utilisation combinée des batteries au graphène et des supercondensateurs au graphène pourrait obtenir des résultats étonnants, comme le concept enregistré d'amélioration de l'autonomie et de l'efficacité des véhicules électriques. Bien que les batteries au graphène ne soient pas encore commercialisées à grande échelle, des percées dans les batteries sont signalées dans le monde entier.

Bases des batteries

Les batteries servent de source d'énergie mobile, permettant aux appareils électriques de fonctionner sans être connectés directement à 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 composée d'un boîtier en métal ou en plastique, avec une borne positive (une anode), une borne négative (une cathode) et des électrolytes permettant de déplacer les ions entre elles. 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 charges d'ions nécessaires pour fermer le circuit pendant le flux d'électricité. Enfin, un collecteur est utilisé pour conduire la charge à l'extérieur de la batterie, via l'appareil connecté.

Lorsque le circuit est complété entre les deux bornes, la batterie génère 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. En même temps, la cathode subit une réaction de réduction, dans laquelle la substance de la cathode, les ions et les électrons libres se combinent pour former des composés. En termes simples, la réaction de l'anode produit des électrons, tandis que la réaction dans la cathode les absorbe, et c'est à partir de ce processus que l'électricité est générée. La batterie continuera à produire de l'électricité jusqu'à ce que les électrodes ne disposent plus de la substance nécessaire pour créer des réactions.

Types de batteries et caractéristiques

Les batteries sont divisées en deux types principaux : les batteries primaires et secondaires. Les batteries primaires (à usage unique) sont utilisées une fois et deviennent inutilisables, car les matériaux des électrodes changent de manière irréversible lors de la décharge. Les exemples courants sont les piles zinc-carbone et les piles alcalines, utilisées dans les jouets, les lampes de poche et une variété d'appareils portables. Les batteries secondaires (rechargeables) peuvent être déchargées et rechargées plusieurs fois, car la composition d'origine des électrodes est capable de restaurer sa fonctionnalité. Les exemples incluent les batteries plomb-acide utilisées dans les véhicules et les batteries lithium-ion utilisées pour l'électronique portable.

Les batteries existent sous différentes formes et tailles pour de nombreux usages différents. Différents types de batteries présentent divers avantages et inconvénients. Les batteries nickel-cadmium (NiCd) ont une densité énergétique relativement faible et sont utilisées là où une longue durée de vie, un taux de décharge élevé et un prix économique sont essentiels. Elles peuvent être trouvées dans les caméscopes et les outils électriques, entre autres applications. Les batteries NiCd contiennent des métaux toxiques et ne sont pas respectueuses de l'environnement. Les batteries nickel-hydrure métallique ont une densité énergétique plus élevée que les batteries NiCd, mais une durée de vie plus courte. Les applications incluent les téléphones mobiles 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. Elles sont courantes dans les applications telles que l'équipement hospitalier et l'éclairage de secours.

Les batteries lithium-ion (Li-Ion) sont utilisées là où une énergie élevée et un poids minimal sont importants, mais la technologie est vulnérable et un circuit de protection est nécessaire pour garantir la sécurité. Les applications incluent les téléphones mobiles et divers types d'ordinateurs. Les batteries lithium-ion-polymère (Li-Ion-Polymer) sont généralement trouvées dans les téléphones mobiles. Elles sont légères et ont une forme plus mince que les batteries Li-Ion. Elles sont également généralement plus sûres et durent plus longtemps. Cependant, elles semblent moins courantes, car les batteries Li-Ion sont moins chères à fabriquer et ont une densité énergétique plus élevée.

Batteries et supercondensateurs

Bien qu'il existe certains types de batteries capables de stocker une grande quantité d'énergie, elles sont très grandes, lourdes et libèrent lentement de l'énergie. Les condensateurs, en revanche, peuvent être rapidement chargés et déchargés, mais contiennent beaucoup moins d'énergie qu'une batterie. Cependant, l'utilisation du graphène dans ce domaine offre de nouvelles possibilités passionnantes pour le stockage de l'énergie, avec des taux de charge et de décharge élevés et même une rentabilité économique. Les performances améliorées par le graphène brouillent ainsi la ligne conventionnelle de distinction entre les supercondensateurs et les batteries.

Bientôt disponible : Batteries améliorées au graphène

Les batteries à base de graphène ont un potentiel passionnant et bien qu'elles ne soient pas encore entièrement disponibles sur le marché, la recherche et le développement sont intensifs et devraient produire 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 sont maintenant sur le marché. Les principales applications se trouvent dans les véhicules électriques et les appareils mobiles.

Certaines batteries utilisent le graphène de manière périphérique - pas en profondeur. Par exemple, Huawei a dévoilé en 2016 une nouvelle batterie Li-Ion renforcée au graphène, qui utilise le graphène pour rester fonctionnelle à des températures plus élevées (60 degrés au lieu de la limite actuelle de 50 degrés) et offrir un temps de fonctionnement double. Le graphène est utilisé dans cette batterie pour fournir une meilleure dissipation thermique - il abaisse la température de fonctionnement de la batterie de 5 degrés.