Les ingénieurs de l'Université Rice ont construit des batteries lithium-ion complètes avec des anodes en silicium et une couche d'alumine pour protéger les cathodes de la dégradation. En limitant leur densité énergétique, les batteries promettent une excellente stabilité pour le transport et le stockage en réseau. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Le processus de développement de meilleures batteries rechargeables peut être trouble, mais il y a une doublure en alumine.
Une fine couche d'oxyde métallique appliquée sur des cathodes communes par des ingénieurs de la Brown School of Engineering de l'Université Rice a révélé de nouveaux phénomènes qui pourraient conduire à des batteries mieux adaptées aux voitures électriques et à un stockage d'énergie hors réseau plus robuste.
L'étude de l'American Chemical Society ACS Matériaux énergétiques appliqués décrit un mécanisme jusqu'alors inconnu par lequel le lithium est piégé dans les batteries, limitant ainsi le nombre de fois qu'il peut être chargé et déchargé à pleine puissance.
Mais cette caractéristique ne freine pas les espoirs que dans certaines situations, de telles batteries pourraient être parfaites.
Le laboratoire Rice de l'ingénieur chimiste et biomoléculaire Sibani Lisa Biswal a trouvé un point idéal dans les batteries qui, en ne maximisant pas leur capacité de stockage, pourrait fournir un cycle régulier et stable pour les applications qui en ont besoin.
Biswal a déclaré que les batteries lithium-ion conventionnelles utilisent des anodes à base de graphite qui ont une capacité inférieure à 400 milliampères-heures par gramme (mAh/g), mais les anodes en silicium ont potentiellement 10 fois cette capacité. Cela a un inconvénient :le silicium se dilate lorsqu'il s'allie avec le lithium, en sollicitant l'anode. En rendant le silicium poreux et en limitant sa capacité à 1, 000 mAh/g, les batteries de test de l'équipe ont fourni un cycle stable avec une capacité toujours excellente.
Anulekha Haridas, chercheuse postdoctorale à l'Université Rice, détient une batterie lithium-ion à cellule complète conçue pour tester l'effet d'un revêtement d'alumine sur la cathode. Le revêtement nanométrique protège les cathodes de la dégradation. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
"La capacité maximale met beaucoup de stress sur le matériau, il s'agit donc d'une stratégie pour obtenir de la capacité sans le même degré de stress, " Biswal a dit. " 1, 000 milliampères-heures par gramme, c'est encore un grand saut."
L'équipe dirigée par la stagiaire postdoctorale Anulekha Haridas a testé le concept d'appariement du poreux, des anodes en silicium haute capacité (au lieu de graphite) avec des cathodes en oxyde de nickel manganèse cobalt (NMC) haute tension. Les batteries lithium-ion complètes ont démontré une cyclabilité stable à 1, 000 mAh/g sur des centaines de cycles.
Certaines cathodes avaient une couche d'alumine de 3 nanomètres (appliquée par dépôt de couche atomique), et certains ne l'ont pas fait. Ceux avec le revêtement d'alumine protégeaient la cathode de la rupture en présence d'acide fluorhydrique, qui se forme si même des quantités infimes d'eau envahissent l'électrolyte liquide. Les tests ont montré que l'alumine a également accéléré la vitesse de charge de la batterie, réduisant le nombre de fois qu'il peut être chargé et déchargé.
Il semble y avoir un piégeage important en raison du transport rapide du lithium à travers l'alumine, dit Haridas. Les chercheurs connaissaient déjà les moyens possibles pour les anodes de silicium de piéger le lithium, le rendant indisponible pour alimenter les appareils, mais elle a dit que c'est le premier rapport de l'alumine elle-même absorbant le lithium jusqu'à saturation. À ce moment, elle a dit, la couche devient un catalyseur pour un transport rapide vers et depuis la cathode.
Les ingénieurs de l'Université Rice ont construit des batteries lithium-ion avec des anodes en silicium et une couche d'alumine pour protéger les cathodes de la dégradation. Crédit :le Biswal Lab/Rice University
"Ce mécanisme de piégeage du lithium protège efficacement la cathode en aidant à maintenir une capacité et une densité d'énergie stables pour les cellules pleines, " dit Haridas.
Les co-auteurs sont les étudiants diplômés de Rice Quan Anh Nguyen et Botao Farren Song, et Rachel Blaser, ingénieur en recherche et développement chez Ford Motor Co. Biswal est professeur de génie chimique et biomoléculaire, de science des matériaux et de nano-ingénierie. Le programme de recherche universitaire de Ford a soutenu la recherche.
