La plupart des batteries lithium-ion (LIB) existantes intègrent des anodes en graphite, qui ont une capacité d'environ 350 milliampères-heures (mAh) par gramme. La capacité des anodes en silicium est presque 10 fois supérieure à celle de leurs homologues en graphite (environ 2, 800 mAh par gramme), et pourrait ainsi théoriquement permettre le développement de batteries au lithium plus compactes et plus légères.

Malgré leur plus grande capacité, les anodes en silicium ont été jusqu'à présent incapables de rivaliser avec les anodes en graphite, à mesure que le silicium se dilate et se contracte pendant le fonctionnement de la batterie, de sorte que la couche protectrice externe des anodes peut facilement se fissurer pendant le fonctionnement d'une batterie. Dans un article récent publié dans Énergie naturelle , une équipe de chercheurs de l'Université du Maryland College Park et du Army Research Laboratory a signalé une nouvelle conception d'électrolyte qui pourrait surmonter les limitations des anodes en silicium existantes.

« Les anodes en silicium et leurs couches de protection d'interphase à électrolyte solide (SEI) formées sont plus faciles à pulvériser pendant le fonctionnement de la batterie, parce que le SEI se lie fortement à Si, donc les deux subissent un grand volume de changements, " Ji Chen, l'un des principaux chercheurs qui ont mené l'étude, dit Phys.org.

Le SEI est une couche protectrice qui se forme naturellement lorsque les particules d'anode sont en contact direct avec un électrolyte. Cette couche sert de barrière qui empêche d'autres réactions de se produire à l'intérieur de la batterie, séparer l'anode de l'électrolyte.

"Si cette couche protectrice est endommagée pendant l'expansion ou la contraction des particules d'anode de Si, les particules d'anode nouvellement exposées réagissent en continu avec l'électrolyte jusqu'à ce qu'il s'épuise pendant le cycle de batterie, " Oleg Borodine, un chimiste senior impliqué dans l'étude au Army Research Laboratory, dit Phys.org.

Depuis plus d'une décennie, des groupes de recherche du monde entier ont tenté de surmonter les problèmes empêchant l'utilisation d'anodes de silicium dans les LIB, principalement en concevant des SEI flexibles et organiques qui se dilatent avec les anodes. La plupart des solutions qu'ils ont développées, cependant, se sont avérés soit totalement inefficaces, soit modérément efficaces, empêchant ainsi en partie les dommages SEI.

"Pendant longtemps, la communauté de recherche du LIB a essayé de concevoir des techniques pour faire fonctionner des anodes de grande capacité comme le Si, " a déclaré Chunsheng Wang, professeur au Département de génie chimique et biomoléculaire et au Département de chimie et biochimie de l'Université du Maryland (UMD), qui est également le directeur UMD du Centre de recherche sur les batteries extrêmes. "Ces chercheurs travaillaient principalement au niveau du matériau Si en introduisant des processus de nanofabrication coûteux. Nous avons essayé de résoudre ce problème différemment en concevant l'électrolyte et le SEI correspondant pour les anodes à haute capacité."

Chen, Borodine, Wang et leurs collègues ont conçu un électrolyte qui pourrait améliorer les performances des anodes en silicium micrométriques dans les LIB, éviter d'endommager leur barrière de protection externe. Par rapport aux solutions proposées précédemment, leur approche minimise considérablement la dégradation des électrolytes, permettant ainsi un cycle de batterie beaucoup plus long avant qu'elle ne perde sa capacité.

Le but ultime de l'étude des chercheurs était d'identifier un solution de remplacement qui pourrait faciliter le développement d'anodes de grande capacité pour les batteries à base de lithium. Pour y parvenir, ils ont conçu des électrolytes en utilisant LiPF 6 , un sel de dernière génération, et un mélange de solvants éthers, formant une couche protectrice SEI riche en LiF très robuste.

"La structure de solvatation spéciale (interaction entre le sel et le solvant) et le large écart entre la tendance à la réduction du sel et du solvant favorisent la formation d'un SEI unique riche en LiF sur Si qui est très utile pour le cycle de la haute capacité Si anodes, " explique Oleg. " L'électrolyte que nous avons conçu fournit une solution d'appoint pour la technologie LIB actuelle sans nécessiter de traitement coûteux, tout en maintenant une stabilité de cyclage élevée et une efficacité coulombienne (CE) sans précédent."

L'étude récente de Chen, Borodine, Wang et leurs collègues prouvent que l'obtention d'un bon cyclage et d'un CE élevé dans les LIB contenant des anodes en silicium est, En réalité, possible, et qu'il peut être réalisé simplement en remplaçant l'électrolyte à l'intérieur d'une batterie, ce qui était auparavant considéré comme impraticable ou totalement irréalisable. Le principe de leur conception d'électrolyte pourrait également théoriquement être appliqué à toutes les anodes en alliage à haute capacité. À l'avenir, cette conception pourrait permettre la création de batteries au lithium plus performantes qui contiennent des anodes à base de matériaux autres que le graphite.

"Nos résultats indiquent une nouvelle direction pour la conception d'électrolytes et pourraient donner aux équipes de recherche du monde entier confiance dans l'application de matériaux d'anode à haute capacité dans les LIB, ", a déclaré Wang. "Nos prochaines étapes seront d'améliorer la fenêtre de tension de l'électrolyte et d'essayer de licencier la technologie aux fabricants de batteries."

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