Le même matériau que vous trouverez au bout d'un crayon, le graphite, est depuis longtemps un élément clé des batteries lithium-ion d'aujourd'hui. À mesure que notre dépendance à l'égard de ces batteries augmente, cependant, les électrodes à base de graphite doivent faire l'objet d'une mise à niveau. Pour ça, les scientifiques se tournent vers l'élément au cœur de la révolution numérique :le silicium.

Des scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory du département de l'Énergie des États-Unis ont mis au point une nouvelle façon d'utiliser cet ingrédient de stockage d'énergie prometteur mais problématique. Silicium, utilisé dans les puces informatiques et de nombreux autres produits, est attrayant car il peut contenir 10 fois la charge électrique par gramme par rapport au graphite. Le problème est, le silicium se dilate considérablement lorsqu'il rencontre du lithium, et il est trop faible pour résister à la pression de fabrication des électrodes.

Pour faire face à ces problèmes, une équipe dirigée par les chercheurs du PNNL Ji-Guang (Jason) Zhang et Xiaolin Li a développé une nanostructure unique qui limite l'expansion du silicium tout en le fortifiant avec du carbone. Leur travail, qui vient d'être publié dans la revue Communication Nature , pourrait éclairer de nouvelles conceptions de matériaux d'électrode pour d'autres types de batteries et éventuellement aider à augmenter la capacité énergétique des batteries lithium-ion dans les voitures électriques, appareils électroniques, et autres équipements.

Retirer les inconvénients du silicium

Une forme conductrice et stable de carbone, le graphite est bien adapté pour emballer des ions lithium dans l'anode d'une batterie pendant qu'elle se charge. Le silicium peut contenir plus de lithium que de graphite, mais il a tendance à gonfler d'environ 300 % en volume, provoquant la rupture de l'anode. Les chercheurs ont créé une forme poreuse de silicium en agrégeant de petites particules de silicium en microsphères d'environ 8 micromètres de diamètre, soit à peu près la taille d'un globule rouge.

"Un matériau solide comme la pierre, par exemple, se cassera s'il se dilate trop en volume, " dit Zhang. " Ce que nous avons créé ressemble plus à une éponge, où il y a de l'espace à l'intérieur pour absorber l'expansion."

L'électrode à structure de silicium poreux présente un changement d'épaisseur de moins de 20 pour cent tout en s'adaptant au double de la charge d'une anode en graphite typique, l'étude a trouvé. Cependant, contrairement aux versions précédentes du silicium poreux, les microsphères présentaient également une résistance mécanique extraordinaire, grâce aux nanotubes de carbone qui font ressembler les sphères à des pelotes de laine.

Microsphères ultra-résistantes

Les chercheurs ont créé la structure en plusieurs étapes, en commençant par enrober les nanotubes de carbone d'oxyde de silicium. Prochain, les nanotubes ont été placés dans une émulsion d'huile et d'eau. Ensuite, ils ont été chauffés à ébullition.

"Les nanotubes de carbone enrobés se condensent en sphères lorsque l'eau s'évapore, " a déclaré Li. " Ensuite, nous avons utilisé de l'aluminium et une chaleur plus élevée pour convertir l'oxyde de silicium en silicium, suivi d'une immersion dans l'eau et l'acide pour éliminer les sous-produits. » Ce qui ressort du processus est une poudre composée de minuscules particules de silicium à la surface des nanotubes de carbone.

La résistance des sphères de silicium poreux a été testée à l'aide de la sonde d'un microscope à force atomique. Les auteurs ont découvert que l'une des boules de fil nanométriques "peut céder légèrement et perdre une certaine porosité sous une force de compression très élevée, mais il ne cassera pas."

Cela augure bien pour la commercialisation, parce que les matériaux d'anode doivent être capables de supporter une compression élevée dans les rouleaux pendant la fabrication. L'étape suivante, Zhang a dit, est de développer des méthodes plus évolutives et économiques pour fabriquer les microsphères de silicium afin qu'elles puissent un jour se frayer un chemin dans la prochaine génération de batteries lithium-ion hautes performances.