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  • Des scientifiques créent de nouvelles électrodes en silicium qui améliorent les batteries lithium-ion

    Il s'agit d'une illustration d'une nouvelle électrode de batterie constituée d'un composite d'hydrogel et de nanoparticules de silicium (Si NP). Chaque Si NP est encapsulé dans un revêtement de surface polymère conducteur et connecté à une structure d'hydrogel tridimensionnelle. Crédits :Yi Cui, Université de Stanford

    Les scientifiques de l'Université de Stanford ont considérablement amélioré les performances des batteries lithium-ion en créant de nouvelles électrodes en silicium et en hydrogel polymère conducteur, un matériau spongieux similaire à celui utilisé dans les lentilles de contact et autres produits ménagers.

    Rédaction dans l'édition du 4 juin de la revue Communication Nature , les scientifiques décrivent une nouvelle technique de production à faible coût, batteries à base de silicium avec des applications potentielles pour une large gamme d'appareils électriques.

    « Le développement de batteries lithium-ion rechargeables à haute densité d'énergie et à longue durée de vie est d'une importance cruciale pour répondre aux besoins toujours croissants de stockage d'énergie pour l'électronique portable, véhicules électriques et autres technologies, " a déclaré le co-auteur de l'étude Zhenan Bao, professeur de génie chimique à Stanford.

    Pour trouver une pratique, matériau peu coûteux qui augmente la capacité de stockage des batteries lithium-ion, Bao et ses collègues de Stanford se sont tournés vers le silicium - un abondant, élément sans danger pour l'environnement avec des propriétés électroniques prometteuses.

    « Cela fait plusieurs années que nous essayons de développer des électrodes à base de silicium pour les batteries lithium-ion de grande capacité, " a déclaré le co-auteur de l'étude Yi Cui, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux à Stanford. "Le silicium a 10 fois la capacité de stockage de charge du carbone, le matériau conventionnel utilisé dans les électrodes lithium-ion. Le problème est que le silicium se dilate et se casse."

    Des études ont montré que les particules de silicium peuvent subir une expansion volumique de 400 % lorsqu'elles sont combinées avec du lithium. Lorsque la batterie est chargée ou déchargée, les particules gonflées ont tendance à se fracturer et à perdre le contact électrique. Pour surmonter ces contraintes techniques, l'équipe de Stanford a utilisé une technique de fabrication appelée polymérisation de synthèse in situ qui recouvre les nanoparticules de silicium dans l'hydrogel conducteur.

    Cette technique a permis aux scientifiques de créer une batterie lithium-ion stable qui conservait une capacité de stockage élevée jusqu'à 5, 000 cycles de charge et de décharge.

    Les scientifiques de Stanford ont utilisé un processus de fabrication de batteries pour fabriquer de nouvelles électrodes en silicium/hydrogel. Des nanoparticules de silicium ont été dispersées dans une solution d'hydrogel rouge, formant un gel vert foncé qui a été déposé sur un collecteur de courant en feuille de cuivre et séché. Crédits :Yi Cui, Université de Stanford

    "Nous attribuons la stabilité électrochimique exceptionnelle de la batterie à l'architecture nanométrique unique de l'électrode composite de silicium, " dit Bao.

    A l'aide d'un microscope électronique à balayage, les scientifiques ont découvert que la matrice d'hydrogel poreuse est criblée d'espaces vides qui permettent aux nanoparticules de silicium de se dilater lorsque du lithium est inséré. Cette matrice forme également un réseau tridimensionnel qui crée une voie électroniquement conductrice pendant la charge et la décharge.

    "Il s'avère que l'hydrogel a des sites de liaison qui s'accrochent très bien aux particules de silicium et en même temps fournissent des canaux pour le transport rapide des électrons et des ions lithium, " a expliqué Cui, chercheur principal au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences au SLAC National Accelerator Laboratory. "Cela fait une combinaison très puissante."

    Un simple mélange d'hydrogel et de silicium s'est avéré beaucoup moins efficace que la technique de polymérisation par synthèse in situ. "Faire d'abord l'hydrogel puis le mélanger avec les particules de silicium n'a pas bien fonctionné, " a déclaré Bao. " Cela a nécessité une étape supplémentaire qui a en fait réduit les performances de la batterie. Avec notre technique, chaque nanoparticule de silicium est encapsulée dans un revêtement de surface polymère conducteur et est connectée à la structure d'hydrogel. Cela améliore la stabilité globale de la batterie."

    L'hydrogel se compose principalement d'eau, ce qui peut provoquer l'inflammation des batteries lithium-ion - un problème potentiel que l'équipe de recherche a dû résoudre. "Nous avons utilisé la propriété de réseau tridimensionnel de l'hydrogel dans l'électrode, mais dans la phase finale de production, l'eau a été retirée, " a dit Bao. " Vous ne voulez pas d'eau à l'intérieur d'une batterie lithium-ion. "

    Bien qu'un certain nombre de problèmes techniques subsistent, Cui est optimiste quant aux applications commerciales potentielles de la nouvelle technique pour créer des électrodes en silicium et autres matériaux.

    « Le processus de fabrication des électrodes utilisé dans l'étude est compatible avec la technologie de fabrication de batteries existante, " at-il dit. " Le silicium et l'hydrogel sont également peu coûteux et largement disponibles. Ces facteurs pourraient permettre la mise à l'échelle des électrodes composites en silicium hautes performances pour la fabrication de la prochaine génération de batteries lithium-ion. C'est une approche très simple qui a conduit à un résultat très puissant."


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