Batterie au dioxyde de titane: une recharge à 70% en 2 minutes avec une haute densité énergétique

Des scientifiques de l'Université de Technologie de Nanyang (NTU) ont développé des batteries qui peuvent être rechargées jusqu'à 70 pour cent en seulement deux minutes.

Les batteries de nouvelle génération ont aussi une longue durée de vie de plus de 20 ans, plus de 10 fois par rapport aux batteries lithium-ion actuelles.

Cette percée aura un impact de grande envergure sur l'ensemble des industries, en particulier pour les véhicules électriques, où les consommateurs sont rebutés par les temps de recharge long et la durée de vie limitée de la batterie.

Avec cette nouvelle technologie par NTU, les conducteurs de véhicules électriques pourraient sauver des dizaines de milliers de dollars sur les coûts de remplacement de la batterie et pourront recharger leurs voitures en quelques  minutes.

Couramment utilisées dans les téléphones mobiles, les tablettes, et dans les véhicules électriques, les batteries lithium-ion rechargeables durent généralement environ 500 cycles de recharge. Ceci est équivalent à deux à trois ans d'utilisation normale, à chaque cycle prenant environ deux heures pour que la batterie soit complètement chargée. [NDLR: Les batteries de VÉ possèdent en moyenne 1000 cycles de recharge]

Dans la nouvelle batterie développée par NTU, le graphite traditionnel utilisé pour l'anode (pôle négatif) dans les batteries lithium-ion est remplacé par une nouvelle matière de gel à base de dioxyde de titane.

Le dioxyde de titane est un matériau abondant, abordable et sécuritaire se trouvant dans le sol. Il est couramment utilisé comme additif alimentaire ou dans des lotions solaires pour absorber les rayons ultraviolets nocifs.

Naturellement retrouvés dans une forme sphérique, l'équipe du NTU a trouvé un moyen de transformer le dioxyde de titane en de minuscules nanotubes, qui sont mille fois plus mince que le diamètre d'un cheveu humain. Cela accélère les réactions chimiques qui ont lieu dans la nouvelle batterie, ce qui permet une recharge ultra-rapide.

Inventé par Chen Xiaodong, un professeur associé de l'École de science des matériaux et de l'ingénierie du NTU, la science derrière la création du nouveau gel de dioxyde de titane a été publié dans le dernier numéro de Advanced Materials, une revue scientifique internationale de premier plan dans la science des matériaux.

Le Prof Chen et son équipe feront une demande pour une subvention Proof-of-Concept pour construire un prototype de batterie à grande échelle. Avec l'aide de NTUitive, une filiale en propriété intellectuelle exclusive de la NTU mis en place pour soutenir les entreprises en démarrage du NTU, la technologie brevetée a déjà suscité l'intérêt de l'industrie.

La technologie est actuellement sous licence par une entreprise secrète pour une production éventuelle. Prof Chen s'attend à ce que la nouvelle génération de batteries à charge rapide soit sur le marché dans les deux prochaines années. Il a également le potentiel d'être une solution clé pour surmonter les problèmes d'alimentation de longue date liés à l'électromobilité.

«Les voitures électriques seront en mesure d'augmenter leur autonomie de façon spectaculaire, avec seulement cinq minutes de recharge, ce qui est à égalité avec le temps nécessaire à la pompe à essence pour les voitures thermiques», a ajouté le professeur Chen.

«Tout aussi important, nous pouvons maintenant réduire de façon drastique les déchets toxiques produits par des batteries disposées, puisque nos batteries durent dix fois plus longtemps que la génération actuelle de batteries lithium-ion.»

La durée de vie de 10,000 cycles de la nouvelle batterie signifie également que les conducteurs de véhicules électriques pourraient économiser sur le coût de remplacement de leur batterie, ce qui pourrait coûter plus de 5,000$ US chacun.

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Facile à fabriquer

Selon Frost & Sullivan, une société de croissance et de consulting de premier plan, le marché mondial des batteries lithium-ion rechargeables est projetée à une valeur de 23,4 milliards de dollars en 2016.

Les batteries au lithium-ion utilisent généralement des additifs pour fixer les électrodes à l'anode, ce qui affecte la vitesse à laquelle les électrons et les ions peuvent se transférer dans et en dehors des batteries.

Cependant, les nouvelles électrodes à base de nanotubes de dioxyde de titane réticulé du professeur Chen éliminent le besoin de ces additifs et peuvent accumuler plus d'énergie dans le même espace.

La fabrication de ce nouveau gel de nanotubes est très facile. Du dioxyde de titane et de l'hydroxyde de sodium sont mélangés et agités à une certaine température, ce qui permettra aux fabricants de batteries d'intégrer facilement le nouveau gel dans leurs processus de production actuels.

Reconnue comme la prochaine grande chose par le co-inventeur des batteries lithium-ion d'aujourd'hui

Le professeur Rachid Yazami du NTU, le co-inventeur de la batterie lithium avec anode de graphite il y a 30 ans qui est utilisé dans les batteries lithium-ion d'aujourd'hui, a déclaré à propos de l'invention du professeur Chen que c'est le prochain grand bond dans la technologie de la batterie.

«Bien que le coût des batteries lithium-ion a été considérablement réduit et ses performances améliorées depuis que Sony les a commercialisé en 1991, le marché s'étend rapidement à de nouvelles applications dans la mobilité électrique et le stockage de l'énergie,» a déclaré le professeur Yazami, qui n'est pas impliqué dans le projet de recherche du professeur Chen.

L'année dernière, le professeur Yazami a reçu le prestigieux Prix Draper par l'Académie nationale d'ingénierie pour son travail de pionnier dans le développement de la batterie lithium-ion avec trois autres scientifiques.

«Cependant, il y a encore place à amélioration et une telle zone clé est la densité de puissance - la quantité d'énergie pouvant être stockée dans une certaine quantité d'espace - qui est directement liée à la capacité de charge rapide. Idéalement, le temps de charge pour les batteries des véhicules électriques devrait être inférieur à 15 minutes, ce que l'anode nanostructuré du professeur Chen a démontré comme capacité ».

Le Prof Yazami est en train de développer de nouveaux types de batteries pour les applications de véhicules électriques à l'Institut de recherche de l'énergie à NTU (ERI @ N).

Ce projet de recherche de batterie a occupé une équipe de quatre scientifiques pendant trois ans pour réussir. Il est financé par la National Research Foundation (NRF), du Cabinet du premier ministre à Singapour, en vertu de son campus d'excellence en recherche et technologique des entreprises (CREATE), sous le Programme des nanomatériaux pour l'énergie et la gestion de l'eau.

Source: Communiqué de presse du NTU