La structure anodique en silicium génère un nouveau potentiel pour les batteries lithium-ion – Technoguide

Une nouvelle recherche menée par l’Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) a identifié un bloc de construction spécifique qui améliore l’anode dans les batteries lithium-ion. Les propriétés uniques de la structure, qui a été construite à l’aide de la technologie des nanoparticules, sont révélées et expliquées aujourd’hui dans Communications Materials.

Les batteries lithium-ion puissantes, portables et rechargeables sont des composants essentiels de la technologie moderne, que l’on trouve dans les smartphones, les ordinateurs portables et les véhicules électriques. En 2019, leur potentiel à révolutionner la façon dont nous stockons et consommons l’énergie à l’avenir, alors que nous nous éloignons des combustibles fossiles, a été notamment reconnu, avec le prix Nobel co-décerné au nouveau membre du Conseil des gouverneurs de l’OIST, le Dr Akira Yoshino, pour son travail de développement de la batterie lithium-ion.

Traditionnellement, le graphite est utilisé pour l’anode d’une batterie lithium-ion, mais ce matériau carboné présente des limitations majeures.

“Lorsqu’une batterie est en cours de charge, les ions lithium sont obligés de se déplacer d’un côté de la batterie – la cathode – à travers une solution électrolytique jusqu’à l’autre côté de la batterie – l’anode. Ensuite, lorsqu’une batterie est utilisée , les ions lithium retournent dans la cathode et un courant électrique est libéré de la batterie », a expliqué le Dr Marta Haro, ancienne chercheuse à l’OIST et premier auteur de l’étude. “Mais dans les anodes en graphite, six atomes de carbone sont nécessaires pour stocker un ion lithium, donc la densité énergétique de ces batteries est faible.”

La science et l’industrie explorant actuellement l’utilisation de batteries lithium-ion pour alimenter les véhicules électriques et les engins aérospatiaux, il est essentiel d’améliorer la densité énergétique. Les chercheurs recherchent maintenant de nouveaux matériaux susceptibles d’augmenter le nombre d’ions lithium stockés dans l’anode.

L’un des candidats les plus prometteurs est le silicium, qui peut lier quatre ions lithium pour chaque atome de silicium.

“Les anodes en silicium peuvent stocker dix fois plus de charge dans un volume donné que les anodes en graphite – un ordre de grandeur plus élevé en termes de densité d’énergie”, a déclaré le Dr Haro. “Le problème est que lorsque les ions lithium se déplacent dans l’anode, le changement de volume est énorme, jusqu’à environ 400%, ce qui provoque la fracture et la rupture de l’électrode.”

Le grand changement de volume empêche également la formation stable d’une couche protectrice qui se trouve entre l’électrolyte et l’anode. Chaque fois que la batterie est chargée, cette couche doit donc se reformer en permanence, en utilisant l’offre limitée d’ions lithium et en réduisant la durée de vie et la rechargeabilité de la batterie.

«Notre objectif était d’essayer de créer une anode plus robuste capable de résister à ces contraintes, capable d’absorber autant de lithium que possible et d’assurer autant de cycles de charge que possible avant de se détériorer», a déclaré le Dr Grammatikopoulos, auteur principal de l’article. «Et l’approche que nous avons adoptée était de construire une structure à l’aide de nanoparticules».

Dans un article précédent, publié en 2017 dans Advanced Science, la désormais dissoute OIST Nanoparticles by Design Unit a développé une structure en couches en forme de gâteau, où chaque couche de silicium était prise en sandwich entre des nanoparticules métalliques de tantale. Cela a amélioré l’intégrité structurelle de l’anode en silicium, empêchant un gonflement excessif.

En expérimentant différentes épaisseurs de la couche de silicium pour voir comment cela affectait les propriétés élastiques du matériau, les chercheurs ont remarqué quelque chose d’étrange.

“Il y avait un point à une épaisseur spécifique de la couche de silicium où les propriétés élastiques de la structure ont complètement changé”, a déclaré Theo Bouloumis, actuellement doctorant à l’OIST qui menait cette expérience. «Le matériau est devenu progressivement plus rigide, mais a ensuite rapidement diminué lorsque l’épaisseur de la couche de silicium a encore augmenté. Nous avions des idées, mais à l’époque, nous ne connaissions pas la raison fondamentale de ce changement.»

Maintenant, ce nouvel article fournit enfin une explication pour le pic soudain de rigidité à une épaisseur critique.

Grâce à des techniques de microscopie et des simulations informatiques au niveau atomique, les chercheurs ont montré que lorsque les atomes de silicium sont déposés sur la couche de nanoparticules, ils ne forment pas un film uniforme et uniforme. Au lieu de cela, ils forment des colonnes en forme de cônes inversés, qui s’élargissent de plus en plus à mesure que davantage d’atomes de silicium sont déposés. Finalement, les colonnes de silicium individuelles se touchent, formant une structure voûtée.

«La structure voûtée est solide, tout comme une arche est solide en génie civil», a déclaré le Dr Grammatikopoulos. “Le même concept s’applique, juste à l’échelle nanométrique.”

Surtout, la résistance accrue de la structure a également coïncidé avec des performances de batterie améliorées. Lorsque les scientifiques ont effectué des tests électrochimiques, ils ont découvert que la batterie lithium-ion avait une capacité de charge accrue. La couche protectrice était également plus stable, ce qui signifie que la batterie pouvait supporter plus de cycles de charge.

Ces améliorations ne sont visibles qu’au moment précis où les colonnes se touchent. Avant que ce moment ne se produise, les piliers individuels sont bancaux et ne peuvent donc pas fournir une intégrité structurelle à l’anode. Et si le dépôt de silicium se poursuit après le contact des colonnes, cela crée un film poreux avec de nombreux vides, ce qui entraîne un faible comportement semblable à une éponge.

Cette révélation de la structure voûtée et de la façon dont elle acquiert ses propriétés uniques agit non seulement comme un pas en avant important vers la commercialisation d’anodes en silicium dans les batteries lithium-ion, mais a également de nombreuses autres applications potentielles dans les sciences des matériaux.

«La structure voûtée pourrait être utilisée lorsque des matériaux solides et capables de résister à diverses contraintes, comme pour les bio-implants ou pour stocker l’hydrogène, sont nécessaires», a déclaré le Dr Grammatikopoulos. “Le type exact de matériau dont vous avez besoin – plus solide ou plus souple, plus flexible ou moins flexible – peut être fabriqué avec précision, simplement en modifiant l’épaisseur de la couche. C’est la beauté des nanostructures.”

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