Les scientifiques du Laboratoire national d'Argonne ont progressé vers une batterie lithium-ion de plus grande capacité pour répondre à la demande croissante des consommateurs.

Avec le nombre croissant de véhicules électriques sur la route et une dépendance croissante à l'électronique grand public, la demande n'a jamais été aussi grande pour le développement de batteries lithium-ion (LIB) capables de supporter une capacité énergétique plus élevée, ou la quantité de charge stockée dans la batterie.

Une façon d'augmenter la capacité énergétique globale des LIB est d'augmenter la capacité énergétique de l'anode, ou l'électrode négative. Depuis plusieurs décennies, Les LIB à la pointe de la technologie ont été fabriquées avec des anodes en graphite. La capacité énergétique du graphite est stable, ce qui signifie que la capacité ne se fane pas, et le matériau ne se fissure pas même après plus de 1000 cycles de charge-décharge complets. Cependant, le graphite a une faible capacité énergétique théorique, qui ne peut pas répondre aux besoins énergétiques croissants de la société d'aujourd'hui.

Dans une nouvelle étude, une équipe dirigée par des chercheurs du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) a démontré la capacité accrue d'un nouveau potentiel, matériau d'anode de plus grande capacité. Ce matériau composite avait été développé à l'origine pour les batteries sodium-ion, qui sont plus rarement utilisées commercialement que les batteries lithium-ion. Cette nouvelle étude visait à appliquer le matériau aux batteries lithium-ion.

Récemment, deux matériaux ont été à la pointe de la recherche pour les anodes de batterie de nouvelle génération :le silicium et le phosphore. Le silicium et le phosphore ont tous deux une capacité énergétique théorique au moins 10 fois supérieure à celle du graphite, ce qui signifie qu'ils pourraient dépasser les exigences de capacité énergétique des LIB. Selon Khalil Amine, scientifique senior en matériaux et membre distingué d'Argonne, le chercheur principal de l'étude Argonne, le silicium a deux problèmes majeurs. Le premier problème concerne l'expansion à haut volume lorsque le silicium est lithié pendant la charge, ce qui provoquerait probablement la rupture du matériau de l'anode. Le craquage entraînerait une perte de capacité énergétique, il expliqua.

Le deuxième problème concerne un terme appelé efficacité coulombique initiale (ICE). Lorsqu'une batterie passe par un cycle de charge-décharge complet, la sortie de charge de la batterie doit théoriquement correspondre à l'entrée de charge. Cependant, une partie de l'énergie dans la sortie de charge est perdue au profit du lithium réagissant avec le matériau de l'anode. Pour développer une LIB pratique, le rapport de la sortie de charge par rapport à l'entrée de charge sur le premier cycle de charge-décharge doit être supérieur à 90 %. Ce rapport est l'ICE. Avec du silicium, l'ICE est inférieur à 80%, ce qu'Amine a expliqué le rend infaisable pour une utilisation pratique.

Dans leurs recherches, Amine, le chimiste argonnais Gui-Liang Xu, et leurs collègues ont exploré deux types potentiels de phosphore :le phosphore noir et le phosphore rouge. « Le phosphore a une capacité énergétique très élevée, " dit Xu. " Quand nous avons exploré le matériel, nous avons constaté que notre matériau d'anode a un ICE très élevé de plus de 90 %."

Un ICE de plus de 90 % démontre que très peu de réactions secondaires se produisent entre le matériau de l'anode et l'électrolyte, donc peu de lithium est perdu pendant la charge et la décharge initiales.

L'équipe a créé son propre composite d'anode composé principalement de phosphore noir, une forme de phosphore hautement conductrice avec une capacité théorique élevée, et de composés de carbone conducteurs.

Pour créer le composite, les chercheurs ont broyé le phosphore en vrac et le carbone conducteur en particules de la taille d'un micromètre, ce qui augmente la densité de l'anode.

Lors de la mesure des cycles de vie, ou le nombre total de fois qu'une batterie peut être chargée et déchargée, Amine et ses collègues se sont tournés vers l'Advanced Photon Source (APS) et le Center for Nanoscale Materials (CNM) d'Argonne. les deux installations pour les utilisateurs du DOE Office of Science. Utilisant la diffraction des rayons X à l'APS et la microscopie électronique à balayage in-situ au CNM, utilisant une source lumineuse annulaire de stockage in-situ, l'équipe a observé la transformation de phase et de volume de l'anode lors de charges et de décharges répétées.

"Argonne a des capacités uniques disponibles à l'APS et au CNM, " dit Xu. " Avec la source lumineuse de l'anneau de stockage, on peut sonder la transformation de phase pendant la lithiation et la délithiation, ce qui nous permet de voir la réversibilité de la réaction."

Après avoir montré la stabilité du composite de phosphore noir, l'équipe a étudié un composite avec du phosphore rouge au lieu du phosphore noir. phosphore noir, bien que nettement plus conducteur que le phosphore rouge, est trop cher pour une utilisation pratique sur le marché. Avec le composite de phosphore rouge, qui est une option économiquement viable, la batterie a montré une stabilité similaire et un ICE élevé, avec une capacité pratique très élevée.

L'équipe travaille actuellement sur un matériau composite composé majoritairement de phosphore rouge, et le matériel montre des résultats prometteurs, dit Xu. « Nous essayons d'initier une collaboration avec des partenaires de l'industrie afin de pouvoir développer ce matériel, afin qu'il puisse être commercialisé à l'avenir."

Le document de recherche sur l'étude, "Un matériau d'anode pratique à base de phosphore pour les batteries lithium-ion à haute énergie, " est apparu en ligne le 26 avril, 2020, en nanoénergie.