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Les batteries au lithium-ion font déjà partie intégrante de notre vie quotidienne. Cependant, notre société énergivore exige une durée de vie plus longue, une recharge plus rapide et des batteries plus légères pour une variété d’applications – des véhicules électriques aux appareils électroniques portables, y compris l’allégement de la charge qu’un soldat transportant de nombreux appareils électroniques.

Une anode en silicium à haute capacité

La génération actuelle de batteries au lithium-ion utilise du graphite comme anode, qui a une capacité relativement faible, et pourrait être remplacée par une anode en silicium à haute capacité et à faible impact environnemental. Il s’agit d’une direction très prometteuse pour la recherche – mais insaisissable, car les batteries avec des anodes en silicium avec une grande taille de particules ont tendance à avoir une durée de vie plus courte, généralement inférieure à 50 cycles.
Lorsque des chercheurs ont essayé d’utiliser des nanoparticules de silicium, d’aluminium et de bismuth, ils ont constaté que ces anodes en alliage de taille nanométrique souffraient toujours d’une courte durée de vie et d’un coût élevé. Chunsheng Wang et ses collègues ont peut-être trouvé une nouvelle direction pour résoudre ce problème de dégradation: l’électrolyte.
L’équipe de l’Université du Maryland et du Laboratoire de recherche de l’armée a fabriqué un électrolyte qui forme une couche protectrice sur le silicium qui est stable et résiste au gonflement qui se produit dans les particules d’anode en silicium. Ce nouvel électrolyte donne aux particules d’anode une place pour que le silicium gonfle dans la couche protégée.
Le Dr Ji Chen, auteur principal de l’article du département d’ingénierie chimique et biomoléculaire de l’université du Maryland, a déclaré : « nos recherches prouvent qu’il est possible de recycler de manière stable des particules de silicium, d’aluminium et de bismuth en anodes de batteries lithium-ion, simplement avec un électrolyte conçu de manière rationnelle, ce qui était considéré comme irréalisable auparavant.

Les micro anodes en alliage améliorent la densité énergétique 

« La densité énergétique de cette batterie est déterminée par les électrodes, tandis que ses performances sont contrôlées par les électrolytes. Ces électrolytes permettent l’utilisation de micro anodes en alliage, ce qui améliorera considérablement la densité énergétique de notre batterie », a déclaré le Dr Xiulin Fan, copremier auteur de cette recherche.
La conception actuelle des électrolytes pour les anodes en silicium vise à former une couche en polymère uniforme appelée interface d’électrolyte solide ou SEI, qui est flexible et se lie fortement au silicium. Cependant, cette forte liaison entre la SEI en polymère et le silicium oblige la SEI à avoir le même changement de volume que les particules de l’anode, si bien que les particules et la SEI se fissurent pendant le fonctionnement de la batterie.
« Après des recherches approfondies sur les électrodes en silicium, la communauté des batteries est parvenue à un consensus selon lequel les anodes en silicium de taille microscopique ne peuvent pas être utilisées dans les batteries lithium-ion commerciales », a déclaré Chunsheng Wang, professeur de génie chimique et biomoléculaire à l’université du Maryland.

Développer des batteries à haute énergie

« Nous avons réussi à éviter les dommages de la SEI en formant une SEI en céramique qui a une faible affinité avec les particules de silicium lithié, de sorte que le silicium lithié peut se déplacer vers l’interface lors du changement de volume sans endommager la SEI. Le principe de conception de l’électrolyte est universel pour toutes les anodes en alliage, et ouvre une nouvelle possibilité de développer des batteries à haute énergie ».
Cette recherche a été publiée dans Nature Energy.
Source : University of Maryland
Crédit photo : Pixabay