Microphotographie vue latérale d'une tranche d'électrode, représentant la structure d'un nanowall/silicium/nanowall. Crédit :Victor Krivchenko
Des membres de l'Institut de physique nucléaire D.V. Skobeltsyn et des collègues de la Faculté de chimie de l'Université d'État Lomonossov de Moscou ont développé un nouveau matériau à base de silicium et de germanium qui pourrait augmenter considérablement les caractéristiques spécifiques des batteries lithium-ion. Les résultats de la recherche ont été publiés dans le Journal de la chimie des matériaux A .
Les batteries lithium-ion sont le type de système de stockage d'énergie le plus populaire pour les appareils électroniques modernes. Ils sont composés de deux électrodes, les négatives (anode) et positives (cathode), qui sont placés dans une enceinte hermétique. L'espace entre les deux est rempli d'un séparateur poreux, trempé dans une solution électrolytique conductrice d'ions lithium. Le séparateur empêche les courts-circuits entre les électrodes bipolaires et fournit un volume d'électrolyte, nécessaire au transport des ions. Le courant électrique dans un circuit externe est généré lorsque les ions lithium sont extraits du matériau de l'anode et se déplacent à travers l'électrolyte avec une insertion supplémentaire dans le matériau de la cathode. Cependant, la capacité spécifique d'une batterie lithium-ion est largement définie par le nombre d'ions lithium qui peuvent être acceptés et transférés par les matériaux actifs de l'anode et de la cathode.
Les scientifiques ont développé et étudié un nouveau matériau d'anode qui permet d'augmenter considérablement l'efficacité énergétique des batteries Li-ion. Le matériau est adapté à une utilisation dans les batteries Li-ion en vrac et à couche mince.
le physicien Victor Krivchenko, l'un des auteurs, dit, "Une grande attention est actuellement accordée à l'élaboration de matériaux d'anode à base de silicium et de germanium. Lors de l'interaction avec les ions lithium, ces éléments sont capables de générer des alliages dont la capacité spécifique dépasse théoriquement celle du graphite, le matériau d'anode traditionnel utilisé dans les batteries lithium-ion modernes."
Microphotographie vue de dessus de films de silicium (en haut) et de germanium (en bas) à la surface de nanoparois de carbone. Crédit :Victor Krivchenko
Parmi tous les matériaux d'anode connus, le silicium possède la capacité gravimétrique au lithium la plus élevée, atteignant théoriquement jusqu'à 4200 mAh/g. Cela en fait le matériau le plus prometteur pour les batteries à densité énergétique améliorée. Le germanium est plus cher et a moins de capacité gravimétrique que le silicium. Cependant, c'est mieux pour conduire le courant. De plus, la diffusion des ions lithium à l'intérieur du germanium est de plusieurs ordres de grandeur plus rapide qu'à l'intérieur du silicium. Ces particularités du germanium confèrent une augmentation substantielle de la densité de puissance de la batterie sans altération significative du volume.
Le principal problème des matériaux d'électrode est que leur structure subit une dégradation significative dans le processus cyclique de charge et de décharge, entraînant une panne de la batterie. Les scientifiques proposent de résoudre ce problème avec des matériaux nanostructurés et le développement de matériaux composites dans lesquels des nanostructures de carbone pourraient être appliquées comme matrices stabilisantes. La transition d'une distribution bidimensionnelle traditionnelle à une distribution tridimensionnelle d'un matériau actif sur la surface de l'électrode pourrait être considérée comme une solution alternative.
Victor Krivchenko dit, « La principale nouveauté du projet est l'idée d'utiliser une matrice formée de structures de carbone cultivées au plasma avec une architecture de surface très complexe pour la mise en œuvre de matériaux d'anode à base de silicium et de germanium avec les propriétés structurelles et fonctionnelles souhaitées. De telles structures sont composées de réseau de nanowalls de type graphène, orienté verticalement vers la surface d'un substrat métallique."
Les scientifiques ont appliqué la technique de pulvérisation cathodique magnétron, a fourni un revêtement homogène de surfaces de nanoparois avec des couches de silicium ou de germanium de 10 à 50 nm d'épaisseur. À la fois, la structure finale de l'anode composite pourrait être composée d'une ou de couches alternées de matière active. Il a été montré que l'architecture tridimensionnelle obtenue fournit une capacité spécifique élevée et augmente la stabilité des caractéristiques spécifiques des anodes à base de silicium et de germanium.
Le scientifique dit, « Les résultats de la recherche pourraient étayer technologiquement l'élaboration de matériaux d'électrode prometteurs pour les systèmes de stockage d'énergie de nouvelle génération. Dans le cadre du projet, les scientifiques ont obtenu des résultats de classe mondiale dans le domaine de l'application de nouveaux matériaux nanostructurés, ainsi que l'élaboration et l'étude de leurs propriétés électrochimiques et physico-chimiques. Les études ont fourni de nouvelles données expérimentales relatives au comportement des nanostructures dans les systèmes électrochimiques."
