Une nouvelle étude menée par des chercheurs du NIMS révèle que dans les électrolytes solides, une anode de silicium composée uniquement de nanoparticules de silicium du commerce préparées par dépôt par pulvérisation présente d'excellentes performances d'électrode, ce qui n'a été observé auparavant que pour les électrodes à film préparées par des procédés d'évaporation. La méthode est rentable, technique atmosphérique, et son nouveau résultat suggère donc qu'une production à faible coût et à grande échelle d'anodes de grande capacité pour une utilisation dans des batteries au lithium tout solide est possible.

Le silicium a une capacité théorique de ~4, 200 mAh/g, qui est environ 11 fois supérieur à celui du graphite couramment utilisé comme matériau anodique actif dans les batteries Li-ion commerciales. Le remplacement du graphite traditionnel par du silicium peut étendre considérablement l'autonomie par charge des véhicules électriques. Cependant, son énorme changement de volume (~ 300 pour cent) pendant la lithiation et la délithiation (charge et décharge) entrave son application pratique dans les batteries.

Dans les électrolytes liquides conventionnels, l'utilisation de liants polymériques est nécessaire pour maintenir ensemble les particules de matière active dans l'électrode et maintenir leur adhérence à la surface des collecteurs de courant métalliques. L'énorme changement de volume répété du silicium provoque l'isolement des particules, ce qui conduit à la perte de la matière active et à une perte de capacité continue qui en résulte. Dans les cellules à l'état solide, la matière active est placée entre deux composants solides, une couche séparatrice d'électrolyte solide et un collecteur de courant métallique. En réalité, comme rapporté précédemment par l'équipe de chercheurs du NIMS, les films de silicium pur déposés par pulvérisation fournissant des capacités surfaciques pratiques dépassant 2,2 mAh/cm ² , présentent une excellente stabilité de cyclage et des capacités de décharge à haut débit dans les électrolytes solides. Néanmoins, la synthèse rentable et industriellement évolutive de l'anode pour les batteries au lithium tout solide reste un grand défi.

L'équipe de chercheurs du NIMS a adopté une autre approche de synthèse vers des anodes hautes performances pour les batteries au lithium tout solide avec des nanoparticules de silicium commerciales. Ils ont découvert un phénomène unique avec les nanoparticules dans la cellule à l'état solide :lors de la lithiation, ils subissent une expansion de volume, compactage structurel, et une coalescence appréciable dans l'espace confiné entre la couche séparatrice d'électrolyte solide et le collecteur de courant métallique pour former un film continu, similaire à celui préparé par le processus d'évaporation. L'anode composée de nanoparticules préparées par dépôt par pulvérisation présente donc d'excellentes performances d'électrode, ce qui n'a été observé auparavant que pour les électrodes à film déposées par pulvérisation cathodique. La méthode de dépôt par pulvérisation est une méthode rentable, technique atmosphérique qui peut être utilisée pour la production à grande échelle. D'où, les résultats ouvriront la voie à une production à faible coût et à grande échelle d'anodes de grande capacité pour une utilisation dans des batteries au lithium à semi-conducteurs.

Les efforts continus des chercheurs du NIMS pour améliorer la cyclabilité dans l'anode sont en cours pour répondre aux exigences des véhicules électriques.