Fig. 1 Fabrication d'électrode avec des composites de copeaux de Si/feuille de graphite (crédit :Université d'Osaka)
Les batteries Li-ion (LIB) sont largement utilisées dans l'électronique mobile. Les préoccupations liées au réchauffement climatique et au changement climatique ont récemment stimulé la demande de LIB dans les véhicules électriques et le lissage de la production solaire photovoltaïque. Si a été étudié comme matériau actif avec une capacité théorique élevée de 3578 mAh/g, qui est environ dix fois supérieure à celle du graphite (372 mAh/g).
Maintenant, une équipe de chercheurs de l'université d'Osaka a utilisé de la nanopoudre de Si en forme de flocon enveloppée de feuilles de graphite ultrafines (GS) pour fabriquer des électrodes LIB avec une capacité surfacique et une densité de courant élevées.
Généralement traités comme des déchets industriels, Si les copeaux sont générés à un taux de 100, 000 tonnes par an dans le monde à partir de lingots de Si qui sont produits à partir de silice par des procédés à 1000~1800°C. Les liquides de refroidissement à base d'eau et les scies à fil à grains abrasifs fixes ouvrent la voie à l'utilisation de copeaux de Si comme matériau actif d'anode avec une capacité élevée à un coût réduit.
Des matériaux nanocarbonés ont été appliqués aux électrodes en Si pour améliorer la conductivité électrique et la cyclabilité. De nombreuses stratégies pour faire face à un changement de volume important des électrodes de Si à des coûts relativement élevés ont été démontrées. Cependant, les électrodes Si ne réunissent pas toutes les exigences d'une haute performance d'électrode, à savoir un coût réduit, respect de l'environnement des matériaux et des procédés, et l'économie circulaire.
Fig. 2 Image au microscope électronique à transmission de composites de copeaux de Si/feuille de graphite (crédit :modifié en partie par rapport à la figure d'origine avec CC BY 4.0.)
"Dans cette étude, Les composites Si/feuille de graphite à partir de copeaux de Si et de graphite expansé sont utilisés comme matériau actif avec un coût et un budget thermique réduits (Fig. 1). La nanopoudre de Si est dispersée et enveloppée entre des GS fabriqués à partir de graphite expansé (Fig. 2), " explique le premier auteur Jaeyoung Choi. " Les ponts GS se forment à travers les fissures et suppriment la fissuration et le décollement du Si. Les GS agglomérés enveloppent les composites Si/GS, et fonctionnent comme des cadres stables qui sécurisent les chemins d'électrolyte et les espaces tampons pour le changement de volume de Si."
La structure composite Si/GS et la limitation de délithiation améliorent la cyclabilité jusqu'à 901 cycles à 1200 mAh/g. La capacité de délithiation surfacique et la densité de courant des électrodes Si/GS augmentent linéairement jusqu'à 4 mAh/cm 2 et 5 mA/cm 2 , respectivement, avec le chargement de masse pendant plus de 75 cycles (Fig. 3), tandis que les électrodes épaisses avec Si revêtu de C fabriquées en C2H4 ne sont pas compétitives.
Fig. 3 Performances cycliques d'une électrode épaisse avec des composites de copeaux de Si/feuille de graphite (GS) et du Si revêtu de C. Le Si revêtu de C a été fabriqué dans C2H4 à 1000°C. (crédit :CC BY 4.0.)
« Les batteries à anode au silicium à haute capacité et à haute densité de courant ont le potentiel d'être utilisées dans les véhicules électriques. Ce potentiel, combiné à une production croissante de copeaux de Si en tant que déchets industriels, permettra à notre travail de contribuer à la réduction des émissions de gaz à effet de serre et à la réalisation des ODD, " dit l'auteur correspondant Taketoshi Matsumoto.
