Le silicium est le deuxième élément le plus abondant sur terre, représentant 27,7 % de la croûte terrestre. Outre sa capacité à créer des plages de sable et des verres transparents, le silicium a également le potentiel de fabriquer des batteries à ions métalliques très efficaces.

Dans un monde où les dispositifs de stockage d'énergie alternatifs tels que les batteries lithium-ion gagnent du terrain, il est nécessaire d'exploiter l'excellente capacité énergétique spécifique du silicium en tant que matériau d'électrode. L'application commerciale des matériaux d'électrode à base de silicium est souvent entravée pour deux raisons principales :1) le manque de stabilité mécanique résultant de l'expansion incontrôlée du volume lors de la lithiation, le processus de combinaison avec un lithium-ion, et 2) la décoloration rapide de l'énergie causée par la formation d'une interface instable d'électrode solide (SEI).

Au fil des ans, les scientifiques ont développé diverses électrodes négatives avancées à base de silicium ou des matériaux d'anode pour surmonter les problèmes susmentionnés. Les plus importants d'entre eux sont les nanomatériaux de silicium. Cependant, les nanomatériaux de silicium présentent certains inconvénients, tels qu'un important écart entre la demande et l'offre, un processus de synthèse difficile et coûteux et, surtout, une menace d'épuisement rapide de la batterie.

Maintenant, un groupe de chercheurs du Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) dirigé par le professeur Noriyoshi Matsumi propose une solution à ces problèmes qui affligent les microparticules de silicium (SiMP). Dans leur étude publiée dans Journal of Materials Chemistry A le 18 juillet 2022, l'équipe a présenté une approche holistique pour synthétiser de nouveaux SiMP hautement résistants constitués de verres noirs (oxycarbure de silicium) greffés de silicium comme matériau d'anode pour les batteries lithium-ion. L'équipe de recherche comprenait Ravi Nandan, chercheur, Noriyuki Takamori, doctorant, Koichi Higashimine, spécialiste technique, et le Dr Rajashekar Badam, ancien maître de conférences à JAIST.

"Les nanoparticules de silicium pourraient fournir une surface efficace accrue, mais cela s'accompagne de ses propres inconvénients, comme une consommation accrue d'électrolyte ainsi qu'une faible efficacité coulombique initiale après quelques cycles de charge et de décharge. Les SiMP sont les plus appropriés, les moins coûteux et les plus facilement disponibles. alternatives, en particulier lorsqu'elles sont associées à des matériaux dotés de propriétés structurelles exceptionnelles, tels que les verres noirs en oxycarbure de silicium. Notre matériau est non seulement très performant, mais également propice aux opportunités d'échelle », a expliqué le professeur Matsumi lorsqu'on lui a demandé la justification de l'étude.

L'équipe a conçu un matériau de type noyau-coquille où le noyau était constitué de SiMP enrobé d'une couche de carbone, puis les verres noirs d'oxycarbure de silicium étaient greffés comme couche de coquille. Les matériaux préparés ont ensuite été utilisés dans une configuration de demi-cellule anodique pour tester leur capacité à stocker de manière réversible le lithium sous différentes fenêtres de potentiel. Ce criblage a montré que le matériau a une grande capacité de diffusion du lithium, une résistance interne réduite et une expansion volumétrique globale. Les propriétés électrochimiques supérieures de ce nouveau matériau ont été encore établies par la rétention de 99,4 % de la capacité énergétique même après 775 cycles de charge et de décharge. En plus des capacités exceptionnelles de stockage d'énergie, le matériau a également fait preuve d'une grande stabilité mécanique tout au long du processus de test.

Les résultats indiquent fortement la supériorité des nouveaux matériaux d'anode actifs à base de SiMP. En effet, ces matériaux ont ouvert de nouvelles voies pour l'application du silicium dans les batteries lithium-ion secondaires de nouvelle génération. La capacité de mise à l'échelle de ce processus de synthèse peut aider à combler le fossé entre la recherche en laboratoire et les applications industrielles dans le domaine du stockage de l'énergie. Ceci est particulièrement important pour produire des véhicules électriques à bas coût, qui peuvent réduire sensiblement les émissions de carbone. Le professeur Matsumi souligne cette application importante de leur étude en déclarant que "notre méthodologie offre une voie efficace pour le développement de matériaux d'anode hautes performances pour les batteries lithium-ion écoénergétiques, qui est un élément essentiel pour créer un environnement durable et à faible consommation". carbone demain." + Explorer plus loin

Une méthodologie simple pour la synthèse de nouveaux matériaux d'anode à base de nanoparticules de β-SiC pour les batteries lithium-ion