Graphène et piles

La technologie des batteries évolue rapidement, avec des dizaines de produits chimiques alternatifs concurrents remettant en question la domination des batteries lithium-ion.

Graphene is a promising material for use in batteries due to its high electrical conductivity and thermal conductivity. A recent discovery by researchers at Swansea University, in collaboration with Wuhan University of Technology and Shenzhen University, could pave the way for the use of graphene in lithium-ion batteries, helping to keep them as the dominant battery technology over alternative chemistries, including graphene-based batteries.

Le graphène est un matériau prometteur pour une utilisation dans les batteries en raison de sa conductivité électrique et thermique élevée. Une découverte récente réalisée par des chercheurs de l'Université de Swansea, en collaboration avec l'Université de technologie de Wuhan et l'Université de Shenzhen, pourrait ouvrir la voie à l'utilisation du graphène dans les batteries lithium-ion, contribuant ainsi à les maintenir comme technologie de batterie dominante par rapport aux produits chimiques alternatifs, y compris le graphène. à base de batteries.

The researchers' publication in Nature Chemical Engineering details the first successful protocol for fabricating defect-free graphene foils on a commercial scale. The method can be used to create graphene foils in lengths ranging from meters to kilometers. In a laboratory setting not designed for mass production, they managed to create a 200-meter-long graphene foil with a thickness of 17 micrometers. The foil is also highly resistant and was demonstrated to retain high electrical conductivity even after being bent over 100,000 times, making it suitable for use in flexible electronics, industrial manufacturing, and other applications where the graphene is used to deploy powerful currents.

La publication des chercheurs dans Nature Chemical Engineering détaille le premier protocole réussi pour fabriquer des feuilles de graphène sans défauts à l'échelle commerciale. La méthode peut être utilisée pour créer des feuilles de graphène d’une longueur allant de mètres à kilomètres. Dans un laboratoire non conçu pour la production de masse, ils ont réussi à créer une feuille de graphène de 200 mètres de long et d'une épaisseur de 17 micromètres. La feuille est également très résistante et il a été démontré qu'elle conserve une conductivité électrique élevée même après avoir été pliée plus de 100 000 fois, ce qui la rend adaptée à une utilisation dans l'électronique flexible, la fabrication industrielle et d'autres applications dans lesquelles le graphène est utilisé pour déployer des courants puissants.

The application that the researchers focused on in their study is the use of the graphene foil as a current collector in lithium-ion batteries. Lithium-ion batteries are vulnerable to a key risk, called thermal runaway, which happens when excessive heat accumulates in a part of the battery, leading to battery failure with dangerous fires or explosions. This issue is one of the key reasons many researchers and battery companies are looking beyond lithium-ion with alternative chemistries like sodium-ion. Many alternative solutions are being explored, for example, gel electrolytes.

L’application sur laquelle les chercheurs se sont concentrés dans leur étude est l’utilisation de la feuille de graphène comme collecteur de courant dans les batteries lithium-ion. Les batteries lithium-ion sont vulnérables à un risque majeur, appelé emballement thermique, qui se produit lorsqu'une chaleur excessive s'accumule dans une partie de la batterie, entraînant une défaillance de la batterie accompagnée d'incendies ou d'explosions dangereuses. Ce problème est l’une des principales raisons pour lesquelles de nombreux chercheurs et fabricants de batteries cherchent au-delà du lithium-ion et des produits chimiques alternatifs comme le sodium-ion. De nombreuses solutions alternatives sont explorées, par exemple les électrolytes en gel.

Thermal runaway mostly happens at the battery's current collectors, where the most power is concentrated. In current lithium-ion batteries, current collectors are usually made of aluminum or copper. The graphene current collectors developed by the research with their graphene foil can display a thermal conductivity as high as 1,400.8 W m−1 K−1. For reference, this is almost 10x higher than copper and aluminum-based current collectors.

L'emballement thermique se produit principalement au niveau des collecteurs de courant de la batterie, où la plus grande partie de l'énergie est concentrée. Dans les batteries lithium-ion actuelles, les collecteurs de courant sont généralement en aluminium ou en cuivre. Les collecteurs de courant en graphène développés par la recherche, avec leur feuille de graphène, peuvent afficher une conductivité thermique pouvant atteindre 1 400,8 W m−1 K−1. Pour référence, c’est presque 10 fois plus élevé que les collecteurs de courant à base de cuivre et d’aluminium.

Because the graphene foil shows a very fast heat dissipation, it eliminates the risk of local heat concentration when the current is flowing. In turn, this removes the risks of aluminothermic and hydrogen-evolution reactions which are the critical steps leading to propagation of the battery failure and fire hazard.

Étant donné que la feuille de graphène présente une dissipation thermique très rapide, elle élimine le risque de concentration de chaleur locale lorsque le courant circule. À son tour, cela élimine les risques de réactions aluminothermiques et de dégagement d'hydrogène qui sont les étapes critiques conduisant à la propagation de la panne de batterie et du risque d'incendie.

“Our dense, aligned graphene structure provides a robust barrier against the formation of flammable gases and prevents oxygen from permeating the battery cells, which is crucial for avoiding catastrophic failures,”

"Notre structure de graphène dense et alignée constitue une barrière robuste contre la formation de gaz inflammables et empêche l'oxygène de pénétrer dans les cellules de la batterie, ce qui est crucial pour éviter des pannes catastrophiques."

Dr Jinlong Yang, co-lead author

M. Jinlong Yang, co-auteur principal

Maybe more importantly, the method is already proven to be deployable with mass manufacturing of the graphene foil. So it could be quickly integrated into existing battery manufacturing processes.

Peut-être plus important encore, la méthode s’est déjà avérée déployable avec la fabrication en série de la feuille de graphène. Il pourrait ainsi être rapidement intégré aux processus de fabrication de batteries existants.

“This is a significant step forward for battery technology. Our method allows for the production of graphene current collectors at a scale and quality that can be readily integrated into commercial battery manufacturing. This not only improves battery safety by efficiently managing heat but also enhances energy density and longevity.”

« Il s’agit d’une avancée significative pour la technologie des batteries. Notre méthode permet la production de collecteurs de courant en graphène à une échelle et une qualité qui peuvent être facilement intégrées dans la fabrication de batteries commerciales. Cela améliore non seulement la sécurité des batteries en gérant efficacement la chaleur, mais améliore également la densité énergétique et la longévité.

Dr Rui Tan, co-lead author

Dr Rui Tan, co-auteur principal

The researchers are already looking at ways to reduce the thickness of the graphene foils and further enhance their mechanical properties. They are also looking at how the graphene foil could help design better flow batteries and sodium-ion batteries, in collaboration with another research team at Swansea University, under Pr. Serena Margodonna’s leadership.

Les chercheurs étudient déjà des moyens de réduire l’épaisseur des feuilles de graphène et d’améliorer encore leurs propriétés mécaniques. Ils étudient également comment la feuille de graphène pourrait aider à concevoir des batteries à meilleur débit et des batteries sodium-ion, en collaboration avec une autre équipe de recherche de l'Université de Swansea, sous la direction du Pr. Le leadership de Serena Margodonna.

We previously discussed honeycomb lithium-ion batteries that remove the risk of battery failure from dendrite growth. If thermal runaway also can be suppressed thanks to graphene foil, this could make lithium-ion batteries much more safe and durable than the current version.

Nous avons déjà discuté des batteries lithium-ion en nid d'abeille qui éliminent le risque de panne de batterie dû à la croissance des dendrites. Si l’emballement thermique peut également être supprimé grâce à une feuille de graphène, cela pourrait rendre les batteries lithium-ion beaucoup plus sûres et durables que la version actuelle.

This overall follows the pattern of most innovations in one niche of battery technology to be usable in other designs, helping feed the quick progress of the industry.

Globalement, cela suit le modèle de la plupart des innovations dans un créneau de la technologie des batteries pour être utilisables dans d’autres conceptions, contribuant ainsi à alimenter les progrès rapides de l’industrie.

(You can also learn more about battery technology in our articles “The Future of Mobility – Battery Tech” and “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”.)

(Vous pouvez également en apprendre davantage sur la technologie des batteries dans nos articles « L’avenir de la mobilité – Technologie des batteries » et « L’avenir du stockage d’énergie – Technologie des batteries à l’échelle industrielle ».)