Des chimistes de l'Université de l'Alberta ont franchi une étape cruciale vers la création d'une nouvelle génération de batteries lithium-ion à base de silicium avec une capacité de charge 10 fois supérieure à celle des cellules actuelles.

"Nous voulions tester comment différentes tailles de nanoparticules de silicium pouvaient affecter la fracturation à l'intérieur de ces batteries, " a déclaré Jillian Buriak, un chimiste de l'Université de l'Alberta et titulaire d'une chaire de recherche du Canada en nanomatériaux pour l'énergie.

Le silicium est prometteur pour la construction de batteries de capacité beaucoup plus élevée car il est abondant et peut absorber beaucoup plus de lithium que le graphite utilisé dans les batteries lithium-ion actuelles. Le problème est que le silicium est sujet à la fracturation et à la rupture après de nombreux cycles de charge et de décharge, car il se dilate et se contracte en absorbant et en libérant des ions lithium.

Les recherches existantes montrent que la mise en forme du silicium en particules nanométriques, fils ou tubes aide à l'empêcher de se casser. Quel Buriak, Jonathan Veinot, un autre chimiste de l'U of A, et son équipe voulaient savoir quelle taille ces structures devaient avoir pour maximiser les avantages du silicium tout en minimisant les inconvénients.

Les chercheurs ont examiné des nanoparticules de silicium de quatre tailles différentes, dispersés uniformément dans des aérogels de graphène hautement conducteurs, en carbone avec des pores nanoscopiques, pour compenser la faible conductivité du silicium. Ils ont découvert que les plus petites particules – seulement trois milliardièmes de mètre de diamètre – présentaient la meilleure stabilité à long terme après de nombreux cycles de charge et de décharge.

"Au fur et à mesure que les particules deviennent plus petites, nous avons découvert qu'ils sont mieux à même de gérer la contrainte qui se produit lorsque le silicium "respire" lors de l'alliage et du désalliage avec le lithium, à vélo, " expliqua Buriak.

La recherche a des applications potentielles dans « tout ce qui repose sur le stockage d'énergie à l'aide d'une batterie, " dit Veinot, qui est le directeur du programme de formation des étudiants diplômés de l'ATUMS qui a partiellement soutenu la recherche.

"Imaginez une voiture ayant la même taille de batterie qu'une Tesla qui pourrait voyager 10 fois plus loin ou vous recharger 10 fois moins fréquemment, ou la batterie est 10 fois plus légère."

Veinot a déclaré que les prochaines étapes consistent à développer un moyen moins coûteux de créer des nanoparticules de silicium pour les rendre plus accessibles pour les développeurs industriels et technologiques.

L'étude, "Taille et effets de surface des nanocristaux de silicium dans les anodes composites d'aérogel de graphène pour les batteries lithium-ion, " a été publié dans Chimie des Matériaux .