La recherche d'une meilleure batterie lithium-ion, qui pourrait permettre à un téléphone portable de fonctionner pendant des jours, augmenter l'autonomie des voitures électriques et maximiser le stockage d'énergie sur un réseau est une quête permanente, mais une étude récente réalisée par des scientifiques de Canadian Light Source (CLS) avec le Conseil national de recherches du Canada (CNRC) a montré que la réponse peut être trouvée en chimie.

"Les gens ont tout essayé au niveau de l'ingénierie pour améliorer les batteries, " a déclaré le Dr Yaser Abu-Lebdeh, un agent de recherche principal au CNRC, "mais pour améliorer leur capacité, il faut jouer avec la chimie des matériaux."

Les batteries au lithium ont des électrodes composées de graphite et d'un liant appelé polyfluorure de vinylidène (PVDF), a expliqué Abu-Lebdeh, qui a travaillé avec des collègues du CNRC et des scientifiques du CLS sur l'étude. Silicium, cependant, a une capacité de lithium 10 fois supérieure à celle du graphite, c'est pourquoi l'accent a été mis sur la création d'une électrode composite composée à la fois de silicium et de graphite.

Cela semble être une voie viable pour augmenter la densité énergétique des batteries lithium-ion rechargeables, mais les batteries en composite silicium perdent très rapidement de la capacité lors du cyclage; après seulement cinq cycles, leur capacité était même inférieure à celle des électrodes en graphite uniquement, même pour de petites quantités de silicium dans les composites.

« Le projet aurait été très difficile à mener à bien sans la capacité du CLS à voir la chimie de l'interface à l'échelle nanométrique, " déclare Jigang Zhou, scientifique industriel de CLS, un expert en batteries dans l'équipe de recherche.

L'équipe a utilisé plusieurs installations du CNRC et du CLS, y compris les tests électrochimiques, microscopie électronique à balayage et spectroscopie de rayons X, pour développer une nouvelle méthode de caractérisation de batterie qui démontre la chimie à la surface de la batterie. La technique pourrait être utilisée pour la recherche dans une variété de piles rechargeables, dont Zhou est excité.

"Pour moi, la vraie beauté est que cette nouvelle méthode de caractérisation est un faisceau vers une nouvelle compréhension de tant de questions de recherche sur les batteries, " dit Zhou.

L'équipe a appliqué sa technique pour comprendre pourquoi même une petite quantité de silicium, lorsqu'il est associé au graphite et au liant, causé la dégradation des batteries. Le problème, ils ont découvert, était la décomposition du liant PVDF lors du cyclage de la batterie, qui s'est produit avec des électrodes en graphite uniquement malgré de bonnes performances de la batterie.

leurs résultats, publié par l'American Chemical Society en ligne dans un article en libre accès, fournir un guide pour la conception de liants plus adaptés aux électrodes composites graphite/silicium, de nouveaux polymères qui ne présentent aucune interaction chimique indésirable avec l'un ou l'autre des composants, indiquant la possibilité d'augmenter la capacité de la batterie en incluant du silicium.

Abu-Lebdeh s'attend à voir le développement de nouveaux liants conduisant à une augmentation progressive de la teneur en silicium, à un objectif d'environ 20 pour cent. Le résultat, il a dit, seraient des batteries à plus haute densité énergétique avec trois fois plus de capacité que celles avec des électrodes en graphite uniquement. Il a ajouté que si l'ajout de silicium augmente la capacité de la batterie, il n'augmente pas le coût s'il est intégré comme non disruptif, intégrer la technologie dans les processus de fabrication actuels.

Abu-Lebdeh attribue à Zhou et au scientifique de CLS Jian Wang, "la compréhension fondamentale qui était essentielle à ce travail. C'était vraiment une recherche collaborative, et ils ont fourni une pièce cruciale du puzzle."

Abu-Lebdeh a décrit les résultats des chercheurs comme une considération importante pour l'industrie des batteries lithium-ion qui travaille à des solutions rentables pour l'électronique grand public de nouvelle génération, véhicules électriques et réseaux électriques.