Batteries au graphène et technologie entièrement expliquées

Les matériaux de batterie développés par le Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) du ministère de l'Énergie et Vorbeck Materials Corp. de Jessup, dans le Maryland, permettent aux outils électriques et autres appareils qui utilisent des batteries lithium-ion de se recharger.en quelques minutes plutôt que des heures. De plus, la technologie des batteries au graphène promet une capacité accrue grâce à l'utilisation d'anodes en silicium au lieu du carbone pour les nouvelles solutions de batteries lithium-ion.

De plus, plusieurs fabricants, comme Positec (qui fabrique Worx, Rockwell et Kress), utilisent déjà une technologie de batterie au graphène dans certains outils électriques portables.

Le graphène existe sous la forme d'une seule couche d'atomes de carbone. Ces atomes sont disposés selon un motif hexagonal organisé. Le graphène vit comme un matériau presque "bidimensionnel" avec des propriétés physiques et chimiques uniques qui lui confèrent plusieurs avantages, notamment une conductivité électrique élevée, une excellente résistance mécanique et une conductivité thermique élevée.

En fait, le graphène est 100 fois plus efficace pour conduire l'électricité que le cuivre ! Il laisse également passer les électrons jusqu'à 140 fois plus vite que le silicium. C'est ce qui rend le matériau graphène si important pour découvrir comment charger plus rapidement les batteries.

Les fabricants (et les scientifiques) considèrent le graphène comme un matériau prometteur pour un large éventail d'applications. Sur la base à la fois de la recherche et de la façon dont nous le voyons utilisé aujourd'hui, il pourrait jouer un rôle très important dans l'électronique, le stockage d'énergie et les composites. Compte tenu des propriétés uniques du graphène, il a en fait le potentiel de révolutionner le stockage d'énergie et la densité de puissance disponible dans les meilleurs outils électriques.

L'invention des batteries au graphène a commencé avec la découverte de la façon d'acquérir du graphène sous une forme à un seul atome. Cela est généralement attribué à une équipe de chercheurs de l'Université de Manchester, au Royaume-Uni. L'équipe, dirigée par les lauréats du prix Nobel Sir Andre Geim et le physicien russo-britannique Konstantin Novoselov, a découvert des attributs intéressants du graphène en 2004.

Au cours de l'une des "expériences du vendredi soir" hebdomadaires d'André et de Kostya, les deux scientifiques ont utilisé du ruban adhésif pour retirer quelques flocons d'un morceau de graphite en vrac. Remarquant que certains flocons étaient plus fins que d'autres, ils ont poursuivi leurs expériences. En séparant à plusieurs reprises les fragments de graphite, ils ont finalement créé des flocons mesurant un seul atome d'épaisseur ! Cette expérience a conduit à l'isolement du premier cas de graphène.

Vorbeck Materials Corp. a collaboré avec Ilhan Aksay, professeur de génie chimique et biologique à l'Université de Princeton. Le Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) a démontré que de petites quantités de graphène, une feuille ultra-mince d'atomes de carbone, peuvent considérablement améliorer la puissance et la stabilité du cycle des batteries lithium-ion. De plus, il peut le faire tout en maintenant une capacité de stockage d'énergie élevée.

En 2016, Dongxu Optoelectronic Technology, basée à Pékin, a lancé sa batterie G-King de 4800 mAh. Cette batterie de type ordinateur portable se recharge en moins de 15 minutes et prend en charge jusqu'à 3500 cycles.

En 2017, le Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT) a annoncé sa "boule de graphène". Ce matériau de batterie unique a montré une augmentation de 45 % de la capacité de stockage associée à des vitesses de charge jusqu'à 5 fois supérieures à celles d'une batterie lithium-ion standard.

La nouvelle technologie promet d'énormes avantages pour les appareils mobiles ainsi que pour les véhicules électriques. Le marché des véhicules électriques prend tout son sens une fois que vous réalisez que la boule de graphène peut maintenir une température stable de 60 degrés Celsius.

Samsung a été le pionnier des méthodes de synthèse du graphène sous une forme 3D, puis de son application aux batteries. Il l'a fait en utilisant de la silice abordable (SiO2). Ils ont appliqué cette "boule de graphène" à la fois sur la couche protectrice de l'anode et sur les matériaux de la cathode dans les batteries lithium-ion.

Les batteries lithium-ion standard continuent de croître en densité de puissance, mais elles n'ont pas fait de sauts monumentaux dans la réduction du temps de charge. Les batteries au graphène présentent deux avantages majeurs par rapport au lithium-ion standard :

Le fonctionnement est simple, du moins en théorie. L'utilisation de batteries à base de graphène est une toute nouvelle direction. Il permet aux cellules de la batterie de se recharger plus rapidement. Les batteries lithium-ion fonctionnent en transférant des ions lithium entre une cathode et une anode à l'aide d'un électrolyte liquide. Cela prend un certain temps, surtout pendant la phase de recharge.

Cependant, améliorer les cathodes en les enduisant de graphène permet de transférer plus d'ions. Cela augmente également la vitesse de transfert.

En plus de cela, les chercheurs prévoient d'utiliser la nanotechnologie d'une autre manière. Les propriétés nanotechnologiques du graphène aident à produire des anodes réutilisables à base de silicium. Ceux-ci améliorent les capacités de stockage globales d'une batterie. L'équation de la batterie au graphène ressemble à ceci :

Plus de stockage + recharge plus rapide + températures de fonctionnement plus fraîches et stables

Étant donné que le revêtement des anodes et des cathodes avec des feuilles ou des billes de graphène de taille nanométrique entraîne une charge plus rapide, une plus grande densité de puissance et une meilleure gestion de la chaleur, les avantages pour les outils électriques sont nombreux. La batterie de votre perceuse sans fil ou scie circulaire haute capacité peut se recharger en quelques minutes au lieu d'une heure. Il pourrait également fonctionner cinq fois plus longtemps.

De plus, les temps de charge rapides s'accompagnent de temps de décharge rapides. Cela signifie que vous pouvez obtenir plus de puissance d'une batterie au graphène plus rapidement. Cela a le potentiel d'apporter plus rapidement des outils et des équipements filaires encore plus puissants sur une plate-forme de batterie. La livraison de puissance ne présente plus autant de problème.

De plus, vous pourriez voir une telle amélioration des temps de charge que la notion de "durée d'exécution toute la journée" s'étend à des outils de plus en plus gros. La gamme d'équipements Milwaukee MX FUEL offre un excellent exemple de ce potentiel. Avec une charge assez rapide des batteries, des outils encore plus grands peuvent faire fonctionner un pack pendant qu'un autre est rempli. À condition que le temps de charge soit inférieur à la durée de fonctionnement réelle attendue, vous bénéficiez ainsi d'une utilisation toute la journée.

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Les chercheurs sont très confiants dans les capacités du graphène en tant qu'amélioration conductrice. En fait, ils affirment que les batteries de téléphones portables à base de graphène, qui prennent actuellement entre une et cinq heures pour se recharger complètement, verraient leur temps réduit à moins de 10 minutes !

Les batteries au graphène ont déjà fait leur apparition sur le marché. Les outils électriques de marque CAT revendiquent la technologie de batterie au graphène qui leur permet de recharger une batterie de 5 Ah en moins de 20 minutes. Ils offrent également une durée de vie 4 fois plus longue que le lithium-ion ainsi que des températures de fonctionnement plus froides. D'autres suivront certainement, et certains ont peut-être déjà sorti des batteries à technologie graphène qui ne l'ont pas encore commercialisée en tant que telle.

Quelque chose de très intéressant que nous voyons entrer sur le marché à divers endroits porte le nom de supercondensateurs alimentés au graphène. Une entreprise, Skeleton, a plusieurs produits différents déjà sur le marché, y compris leur série SkelCap. Ces supercondensateurs courbes au graphène présentent une densité d'énergie élevée ainsi qu'une faible résistance interne.

Comme vous pouvez l'imaginer, une meilleure densité d'énergie signifie que ces batteries s'intègrent parfaitement aux marchés des véhicules électriques, des transports lourds et de l'industrie. Dans ces secteurs, le poids et l'espace jouent un rôle clé dans l'efficacité des véhicules.

Les supercondensateurs au graphène génèrent également moins de chaleur, même sous des charges à courant élevé. Ces supercondensateurs au graphène présentent une conception incurvée qui expose une plus grande partie de la surface au courant électrique. Cela réduit la résistance et améliore l'efficacité.

Enfin, Skeleton affirme que leurs supercondensateurs alimentés au graphène ont une durée de vie d'application allant jusqu'à 15 ans ou plus ! Quand on regarde les véhicules électriques et les équipements lourds, une durée de vie de 15 ans commence à avoir vraiment du sens. Nous nous attendons à voir cette technologie particulière apparaître en premier dans les véhicules utilitaires et certains véhicules électriques.

En 2016, Huawei, basé en Chine, a annoncé une percée majeure dans sa recherche sur les batteries Li-ion. Lors du 57e Battery Symposium au Japon, ils ont dévoilé la première batterie Li-ion assistée par graphène à longue durée de vie au monde capable de résister à des températures élevées. Ils revendiquaient, à l'époque, une réduction de 5 degrés C par rapport aux batteries existantes déjà sur le marché.

Appliqués sur le terrain, les gains environnementaux réels se sont améliorés jusqu'à 10 degrés C. Les applications incluent les zones où vous avez à la fois des climats chauds et des pannes de courant fréquentes (comme l'Afrique). Les applications EV restent également une possibilité.

À partir de 2023, cette technologie est apparue dans la technologie de refroidissement par film de graphène de la société, utilisée pour évacuer la chaleur de la batterie des téléphones portables. De cette façon, Huawei continue de s'appuyer principalement sur les propriétés de conductivité thermique rapide du graphène au lieu de l'utiliser dans ses batteries réelles.

En raison du blocage actuel des puces de la société, Huawei prévoit également de commencer à utiliser du graphène dans ses semi-conducteurs et transistors pour créer de nouvelles technologies de puces qui rivalisent avec la technologie traditionnelle du silicium. L'utilisation du graphène (via des puces de nanotubes de carbone) pourrait également potentiellement accélérer la communication et réduire les coûts.

Strategic Elements travaille sur une nouvelle technologie de batterie qui utilise une encre liquide à base d'oxyde de graphène. Le processus consiste à enduire l'encre d'oxyde de graphène sur du verre. Il serait censé être capable de récolter l'énergie de l'humidité présente dans l'air ou la peau pour s'auto-charger en quelques minutes seulement. Strategic Elements travaille avec l'Université de Nouvelle-Galles du Sud pour tester et développer la technologie. Ils cibleraient la nouvelle technologie de batterie à l'oxyde de graphène sur le marché diversifié des appareils IOT.

Une batterie à l'oxyde de graphène ayant le potentiel de se recharger à partir de l'humidité de l'air ou de votre peau semble être un bond en avant incroyable pour les montres, les liseuses à faible consommation d'énergie, etc. Imaginez ne pas avoir besoin de recharge manuelle ou de fils ! En savoir plus ici.

GMG, en collaboration avec l'Université du Queensland Research et UniQuest, a en cours de développement une technologie de batterie graphène aluminium-ion. La nouvelle formulation présente des densités d'énergie et de puissance élevées par rapport à la technologie actuelle des batteries lithium-ion. Il revendique une durée de vie de la batterie jusqu'à 3 fois plus longue et des vitesses de charge jusqu'à 70 fois plus rapides.

Depuis juin 2022, GMG a déjà fabriqué des batteries graphène aluminium-ion au format de cellule de poche. GMG prévoit de construire une première usine commerciale de fabrication de batteries graphène-aluminium-ion (G+AI), suivie d'une production de masse de batteries à cellules parallèles.

Pour ne pas être en reste, la NASA envisage de développer sa batterie au graphène à semi-conducteurs SABERS. SABERS est l'acronyme de Solid-state Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety. En cours de développement depuis des années dans son Glenn Research Center à Cleveland, Ohio, et au Langley Research Center à Hampton, en Virginie, la batterie NASA SABERS vise à permettre des applications auparavant considérées comme impossibles, comme le vol alimenté par batterie.

Faire une batterie au graphène (ou n'importe quelle batterie d'ailleurs) adaptée au vol nécessite plusieurs choses. Il doit avoir une densité de puissance adéquate, c'est-à-dire plus de puissance dans moins d'espace. La batterie doit également peser le moins possible. Il doit pouvoir se décharger rapidement et s'adapter à n'importe quelle application.

Il doit également être extrêmement sûr car il doit propulser un véhicule ayant le potentiel de transporter des centaines de passagers. Cela signifie éliminer tous les produits chimiques potentiellement toxiques ou inflammables. Jusqu'à présent, selon les rapports, SABERS semble sur la bonne voie pour présenter une solution convaincante… éventuellement.

La batterie au graphène à semi-conducteurs SABERS fournit actuellement 500 wattheures par kilogramme. Cela correspond à environ deux fois la densité d'énergie de la meilleure technologie de batterie utilisée dans les véhicules électriques actuels. L'objectif régional pour le vol se situe autour de 480 Wattheures. En savoir plus ici.

Quant à l'avenir de la nanotechnologie à base de graphène, il reste un processus compliqué et coûteux. Avec des recherches plus poussées et des économies d'échelle, cela devrait permettre aux outils électriques sans fil de fonctionner plus longtemps. Cela devrait également permettre aux fabricants de mettre beaucoup plus de puissance dans un boîtier plus petit. Entre cela, des températures de fonctionnement plus fraîches et une charge plus rapide, la technologie des batteries au graphène pourrait révolutionner les outils sans fil, les véhicules électriques et les équipements lourds dans les 5 à 10 prochaines années.

Plutôt que de choisir une direction que la technologie des batteries au graphène est susceptible de prendre, nous imaginons qu'elle touchera tous les domaines. Cela inclut l'état solide, l'utilisation dans la technologie de refroidissement, les solutions courbes pour accélérer la charge et l'intégration complète dans les anodes et les cathodes. En ce qui concerne certaines des annonces les plus avancées que nous avons vues, imaginez les possibilités. Mettez une batterie à base de graphène avec deux fois la densité de puissance dans un VE et vous pourriez parcourir jusqu'à 1000 miles par charge ! Vous auriez également la possibilité de recharger dans le même temps (ou moins) que les véhicules actuels avec une autonomie d'environ 350 milles.

Il a certainement notre imagination en plein essor!