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  • Lever le couvercle sur les batteries au silicium

    (Phys.org) — Résoudre le mystère de ce qui se passe à l'intérieur des batteries lorsque le silicium entre en contact avec le lithium pourrait accélérer la commercialisation des batteries haute capacité de nouvelle génération, pour une utilisation dans les téléphones mobiles et autres applications.

    Les batteries de nouvelle génération à base de silicium se sont rapprochées de la réalité commerciale, après que le mystère entourant ce qui se passe à l'intérieur des batteries lorsque le silicium entre en contact avec le lithium ait été compris avec des détails sans précédent. La technologie à base de silicium augmenterait considérablement la capacité des batteries utilisées dans les téléphones portables, véhicules électriques et autres applications.

    En utilisant une combinaison de techniques de nanotechnologie et de résonance magnétique nucléaire (RMN), les chercheurs ont développé un nouveau système de sondage qui donne une vision de ce qui se passe à l'intérieur des batteries au niveau atomique, permettant un meilleur contrôle des propriétés des matériaux.

    Le silicium est proposé en remplacement du carbone dans les anodes de batterie (électrodes négatives) depuis 20 ans, car il a environ dix fois plus de capacité de stockage que le carbone. Cependant, la difficulté à gérer les propriétés du silicium a empêché la technologie d'être appliquée à grande échelle.

    Le principal problème avec l'utilisation du silicium dans une batterie lithium-ion est que les atomes de silicium absorbent les atomes de lithium, et le silicium se dilate jusqu'à trois fois en volume, dégrader la batterie. Bien que le contrôle de cette expansion soit devenu plus facile au cours de la dernière décennie, un manque de compréhension de ce qui se passe à l'intérieur des batteries et de ce qui régit les réactions a continué à freiner les batteries au silicium.

    Des chercheurs de l'Université de Cambridge ont développé une nouvelle méthode pour sonder les batteries au silicium et déterminé les causes de l'expansion. Les résultats sont rapportés dans l'édition du 3 février de la revue Communication Nature .

    « Le défi le plus fondamental pour fournir des batteries d'une telle capacité est de comprendre les réactions qui se produisent à l'intérieur de celles-ci, " a déclaré l'auteur principal, le Dr Ken Ogata du Département d'ingénierie.

    En utilisant des fils nanométriques en silicium et des techniques de RMN, les chercheurs ont développé un système modèle robuste capable de s'adapter à l'expansion du silicium sur plusieurs cycles, et l'a intégré à des techniques de sondage à courte portée qui révèlent ce qui se passe à l'intérieur de la batterie au niveau atomique. L'équipe a découvert que les réactions se déroulent avec des interactions de différentes tailles de réseaux et de clusters de silicium, dont l'énergétique gouverne en partie le chemin de la réaction.

    En utilisant ces techniques combinées, les chercheurs ont pu développer une « carte » de la façon dont le silicium se transforme lorsqu'il est mis en contact avec le lithium dans une batterie. Les perspectives ouvertes par la technologie stimuleront les développements ultérieurs des batteries au silicium, car il sera plus facile pour les ingénieurs de contrôler leurs propriétés.

    « L'utilisation de cette technique contribuera à rendre la conception de la batterie beaucoup plus systématique, et moins d'essais et d'erreurs, " a déclaré le Dr Ogata. " Les batteries à base de nanofils couplées au système RMN nous ont permis de suivre la cinétique de la réaction sur plusieurs cycles avec diverses stratégies de cycle. Surtout, les connaissances acquises par la nouvelle technologie sont pertinentes pour les anodes composites silicium-carbone de pointe actuelles et conduiront à un développement ultérieur des anodes. »

    Cette technologie polyvalente à base de nanofils peut être appliquée à d'autres systèmes de batterie tels que les batteries lithium-ion à base d'étain et de germanium et les batteries sodium-ion, et des études sont actuellement en cours avec la spectroscopie RMN sous une grande variété de régimes électrochimiques.


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