Dans le cadre des efforts mondiaux vers la neutralité carbone, les constructeurs automobiles du monde entier sont activement engagés dans la recherche et le développement pour convertir les véhicules à moteur à combustion interne en véhicules électriques. En conséquence, la concurrence pour améliorer les performances des batteries, qui est au cœur des véhicules électriques, s'intensifie. Depuis leur commercialisation en 1991, les batteries lithium-ion ont détenu une part de marché dominante dans la plupart des segments de marché, du petit électroménager au véhicule électrique, grâce à l'amélioration continue de la densité et de l'efficacité énergétiques. Cependant, certains phénomènes se produisant au sein de telles batteries sont encore mal compris, comme la dilatation et la détérioration du matériau d'anode.

L'Institut coréen des sciences et technologies a annoncé que son équipe dirigée par le Dr Jae-Pyoung Ahn (Division des ressources de recherche) et le Dr Hong-Kyu Kim (Advanced Analysis and Data Center) a réussi à observer en temps réel l'expansion et détérioration du matériau d'anode dans les batteries en raison du mouvement des ions lithium. Les recherches de l'équipe sont publiées dans ACS Energy Letters .

Les performances et la durée de vie des batteries lithium-ion sont généralement connues pour être affectées par divers changements qui se produisent dans les matériaux d'électrode internes pendant les processus de charge et de décharge. Cependant, il est difficile de surveiller ces changements pendant le fonctionnement car les principaux matériaux de la batterie, tels que les électrodes et les électrolytes, sont instantanément contaminés lorsqu'ils sont exposés à l'air. Par conséquent, l'observation et l'analyse précises des changements structurels du matériau d'électrode pendant la migration des ions lithium sont le facteur le plus important pour améliorer les performances et la sécurité.

Dans une batterie lithium-ion, les ions lithium se déplacent vers l'anode pendant la charge et vers la cathode pendant la décharge. L'équipe de recherche du KIST a réussi à observer en temps réel une anode composite silicium-graphite, qui est étudiée pour son utilisation commerciale en tant que batterie à haute capacité. Théoriquement, la capacité de charge du silicium est 10 fois supérieure à celle du graphite, un matériau d'anode classique. Cependant, le volume de nanopoudres de silicium quadruple pendant le processus de charge, ce qui rend difficile la garantie des performances et de la sécurité. Il a été émis l'hypothèse que les nanopores formés lors du mélange des constituants des composites silicium-graphite peuvent s'adapter à l'expansion volumique du silicium lors de la charge de la batterie, modifiant ainsi le volume de la batterie. Cependant, le rôle de ces nanopores n'a jamais été confirmé par l'observation directe avec des courbes de tension électrochimique.

À l'aide d'une plate-forme d'analyse de batterie auto-conçue, l'équipe de recherche du KIST a observé directement la migration des ions lithium dans l'anode composite silicium-graphite pendant la charge et a identifié le rôle pratique des nanopores. Il a été constaté que les ions lithium migrent séquentiellement dans le carbone, les nanopores et le silicium dans le composite silicium-graphite. En outre, l'équipe de recherche a noté que les pores de taille nano ont tendance à stocker les ions lithium (lithiation de remplissage préalable) avant les particules de lithium-silicium (lithiation Si), tandis que les pores de taille micro s'adaptent à l'expansion volumique du silicium comme on le croyait auparavant. Par conséquent, l'équipe de recherche suggère qu'une nouvelle approche qui distribue de manière appropriée les pores de taille micro et nano pour atténuer l'expansion volumique du silicium, améliorant ainsi la sécurité du matériau, est nécessaire pour la conception de matériaux d'anode à haute capacité pour le lithium- piles ioniques.

"Tout comme le télescope spatial James Webb annonce une nouvelle ère dans l'exploration spatiale, la plate-forme d'analyse de batterie KIST ouvre de nouveaux horizons dans la recherche sur les matériaux en permettant l'observation des changements structurels dans les batteries électriques", a déclaré le Dr Ahn, chef de la division des ressources de recherche du KIST. . "Nous prévoyons de poursuivre les recherches supplémentaires nécessaires pour stimuler les innovations dans la conception des matériaux de batterie, en observant les changements structurels des matériaux de batterie qui ne sont pas affectés par l'exposition atmosphérique", a-t-il déclaré. + Explorer plus loin

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