L'équipe de recherche de Kiel fabrique des anodes pour leurs batteries au silicium innovantes à partir de plaquettes de silicium comme celle-ci. Un processus de gravure donne aux disques vierges d'origine une surface poreuse - et un éclat coloré. La couche de silicium poreux peut être particulièrement bien collée avec une électrode de cuivre. L'anode extrêmement fine qui en résulte peut être décollée comme un film. Crédit :Siekmann, Université de Kiel
Durée de vie plus longue, des autonomies plus importantes et des recharges plus rapides :des développements tels que la mobilité électrique ou la miniaturisation de l'électronique nécessitent de nouveaux matériaux de stockage pour les batteries. Avec son énorme capacité de stockage, le silicium aurait potentiellement des avantages décisifs par rapport aux matériaux utilisés dans les batteries lithium-ion disponibles dans le commerce. Mais en raison de son instabilité mécanique, il a été jusqu'à présent presque impossible d'utiliser du silicium pour la technologie de stockage. Une équipe de recherche de l'Institute for Materials Science de l'Université de Kiel, en coopération avec la société RENA Technologies GmbH, développe des anodes 100% silicium, ainsi qu'un concept pour leur production industrielle. Par une structuration ciblée de sa surface au niveau micrométrique, l'équipe peut exploiter pleinement le potentiel de stockage du silicium. Cela ouvre une toute nouvelle approche des batteries rechargeables, ainsi que le stockage d'énergie de demain. Cette semaine, les partenaires présentent la production et l'utilisation potentielle des anodes en silicium à la Hannover Messe (23 – 27 avril), sur le stand CAU (Hall 2, C07).
Le silicium est depuis longtemps un candidat potentiel pour la mobilité e-électrique, selon la scientifique des matériaux Dr. Sandra Hansen. "Théoriquement, le silicium est le meilleur matériau pour les anodes des batteries. Il peut stocker jusqu'à 10 fois plus d'énergie que les anodes en graphite dans les batteries lithium-ion conventionnelles. les batteries des smartphones pourraient durer plus longtemps, et la recharge serait nettement plus rapide. Un avantage supplémentaire du matériau semi-conducteur est sa disponibilité illimitée - après tout, le sable se compose en grande partie de dioxyde de silicium. "Le silicium est le deuxième élément le plus abondant sur terre après l'oxygène, et donc une ressource rentable presque illimitée, " dit Hansen.
Cependant, Jusqu'à présent, la durée de vie des anodes en silicium était beaucoup trop courte pour les utiliser réellement dans des batteries rechargeables et rechargeables. La raison en est la haute sensibilité du matériau. Pendant la charge, les ions lithium vont et viennent entre l'anode et la cathode. Silicium, comme le matériau avec la densité d'énergie la plus élevée, peut absorber un nombre remarquable d'ions lithium. Ce faisant, il augmente de 400 pour cent, et se briserait à long terme.
Au laboratoire de la Faculté de génie, Hansen construit les premiers prototypes de batteries au silicium, pour tester combien de cycles de charge ils peuvent durer. Il n'y a pas d'oxygène dans cette soi-disant "boîte à gants", sinon, le lithium de la batterie s'oxyderait. Crédit :Julia Siekmann, Université de Kiel
À l'Institut des sciences des matériaux de Kiel, le silicium fait l'objet de recherches depuis près de 30 ans. Les constatations à ce jour, combinée à l'expérience silicium de RENA Technologies GmbH acquise grâce à la technologie solaire, devrait contribuer à la production d'anodes de batteries composées à 100 % de silicium. Cela permettrait une utilisation maximale de leur potentiel de stockage :les anodes des batteries rechargeables conventionnelles ne contiennent qu'environ 10 à 15 % de silicium. Pour poursuivre cet objectif, le projet de recherche commun "Développement et caractérisation des grands, anodes en film de Si poreux pour le stockage d'énergie lithium-soufre-silicium" (PorSSi) a démarré l'année dernière, qui a obtenu un financement total d'un million d'euros du ministère fédéral de l'Éducation et de la Recherche (BMBF, plus de détails voir ci-dessous). Le résultat à la fin devrait être une batterie au silicium haute performance, avec un concept pour sa production industrielle rentable.
"La coopération entre l'Université de Kiel et RENA est une combinaison très efficace de décennies d'expérience en recherche fondamentale avec une expertise en développement de processus et d'équipements industriels, " a souligné le Dr Holger H. Kühnlein, Vice-président senior de la technologie chez RENA Technologies GmbH. "De cette façon, nous pouvons transférer les résultats de la recherche universitaire dans les applications industrielles dans les plus brefs délais, " a ajouté le professeur Rainer Adelung, responsable du groupe de travail Nanomatériaux fonctionnels à l'Université de Kiel, où la plupart des découvertes à ce jour sur le silicium ont été faites. Adelung :« C'est un véritable transfert d'innovation.
"Afin d'augmenter la stabilité en cyclage des anodes de silicium dans les batteries, nous devons comprendre exactement ce qui se passe lorsqu'ils se dilatent pendant la charge, " a déclaré Hansen. Au cours de sa thèse de doctorat, elle a découvert que le silicium se comporte beaucoup plus souple lorsqu'il est produit sous la forme d'un fil mince. Ces découvertes sont maintenant transférées au silicium poreux - son volume libre laisse plus d'espace pour l'expansion. Pour éviter que les contacts avec l'électrode ne se rompent, Hansen a co-développé et breveté une méthode pour une connexion stable entre les deux. L'équipe veut fabriquer la contrepartie de l'anode, la cathode, à partir de soufre. "Une cathode au soufre fournit la capacité de stockage maximale possible. Donc dans ce projet, nous combinons deux matériaux qui promettent des performances vraiment élevées de la batterie, " dit Hansen.
Lors du chargement de la batterie, le silicium se dilate de 400 %, et le matériau délicat pourrait se briser. Il est beaucoup plus souple sous la forme de tels micro-fils, comme Hansen a pu le prouver dans sa thèse de doctorat. Mais ce type de fabrication reste encore trop cher pour une production industrielle. Crédit :Sandra Hansen
Hansen souhaite encore améliorer la durée de vie des anodes en silicium, grâce à un contrôle qualité particulier lors de la fabrication :ils sont fabriqués à partir d'une plaquette. En utilisant un procédé de gravure lithographique, la surface de ce disque plat est structurée à l'échelle nano, lui conférer des propriétés particulières. Avec une méthode améliorée du domaine de la technologie solaire, Hansen effectue ensuite une inspection visuelle de la surface sur une période de temps. De cette façon, il peut être déterminé à quel moment du processus de fabrication des zones irrégulières se sont développées sur la surface, qui réduisent les performances de l'anode.
"À l'heure actuelle, ce processus prend encore beaucoup de temps et est très coûteux. Si on arrive à le transférer d'une plaquette de silicium à un film poreux, nous pourrions les graver en quelques minutes, " a déclaré Hansen. Grâce à la coopération avec RENA, les résultats de la recherche alimentent directement le développement de nouveaux systèmes de gravure. Un prototype sera réalisé au cours des trois années du projet, et installé à la Faculté d'ingénierie de Kiel.
