Cette micrographie électronique à balayage montre des nanoparticules de silicium enrobées de carbone à la surface des granulés composites utilisés pour former la nouvelle anode. Crédit :Avec l'aimable autorisation de Gleb Yushin
Une nouvelle structure d'anode haute performance basée sur des matériaux nanocomposites silicium-carbone pourrait améliorer considérablement les performances des batteries lithium-ion utilisées dans un large éventail d'applications, des véhicules hybrides à l'électronique portable.
Réalisé avec une technique d'auto-assemblage "bottom-up", la nouvelle structure profite de la nanotechnologie pour affiner les propriétés de ses matériaux, combler les lacunes des anodes de batterie à base de silicium antérieures. Le simple, La technique de fabrication à faible coût a été conçue pour être facilement mise à l'échelle et compatible avec la fabrication de batteries existantes.
Les détails de la nouvelle approche d'auto-assemblage ont été publiés en ligne dans la revue Matériaux naturels le 14 mars.
"Le développement d'une nouvelle approche pour produire des particules d'anode ou de cathode hiérarchiques aux propriétés contrôlées ouvre la porte à de nombreuses nouvelles directions pour la technologie des batteries lithium-ion, " dit Gleb Yushin, professeur adjoint à la School of Materials Science and Engineering du Georgia Institute of Technology. "Il s'agit d'une étape importante vers la production commerciale de matériaux d'anode à base de silicium pour les batteries lithium-ion."
Les batteries populaires et légères fonctionnent en transférant des ions lithium entre deux électrodes - une cathode et une anode - à travers un électrolyte liquide. Plus les ions lithium peuvent entrer efficacement dans les deux électrodes pendant les cycles de charge et de décharge, plus la capacité de la batterie sera grande.
Les batteries lithium-ion existantes reposent sur des anodes en graphite, une forme de carbone. Les anodes à base de silicium offrent théoriquement jusqu'à dix fois plus de capacité que le graphite, mais les anodes à base de silicium n'ont jusqu'à présent pas été suffisamment stables pour une utilisation pratique.
Les anodes en graphite utilisent des particules dont la taille varie de 15 à 20 microns. Si des particules de silicium de cette taille sont simplement substituées au graphite, l'expansion et la contraction lorsque les ions lithium entrent et sortent du silicium créent des fissures qui provoquent rapidement la défaillance de l'anode.
Le nouveau matériau nanocomposite résout ce problème de dégradation, permettant potentiellement aux concepteurs de batteries d'exploiter les avantages de capacité du silicium. Cela pourrait faciliter une puissance de sortie plus élevée à partir d'une taille de batterie donnée - ou permettre à une batterie plus petite de produire la quantité d'énergie requise.
Ce schéma montre un granule nanocomposite silicium-carbone formé par un processus d'assemblage ascendant hiérarchique. Les particules de noir de carbone recuit sont recouvertes de nanoparticules de silicium puis assemblées en sphères rigides avec des canaux internes interconnectés ouverts. Crédit :Avec l'aimable autorisation de Gleb Yushin
« À l'échelle nanométrique, nous pouvons régler les propriétés des matériaux avec une bien meilleure précision qu'aux échelles de taille traditionnelles, " a déclaré Yushin. "C'est un exemple où les techniques de fabrication à l'échelle nanométrique conduisent à de meilleurs matériaux."
Les mesures électriques des nouvelles anodes composites dans de petites piles bouton ont montré qu'elles avaient une capacité plus de cinq fois supérieure à la capacité théorique du graphite.
La fabrication de l'anode composite commence par la formation de structures ramifiées hautement conductrices - similaires aux branches d'un arbre - constituées de nanoparticules de noir de carbone recuites dans un four tubulaire à haute température. Des nanosphères de silicium d'un diamètre inférieur à 30 nanomètres sont ensuite formées au sein des structures carbonées à l'aide d'un procédé de dépôt chimique en phase vapeur. Les structures composites silicium-carbone ressemblent à des « pommes suspendues à un arbre ».
En utilisant du carbone graphitique comme liant électriquement conducteur, les composites silicium-carbone sont ensuite auto-assemblés en sphères rigides qui ont ouvert, canaux de pores internes interconnectés. Les sphères, formé dans des tailles allant de 10 à 30 microns, sont utilisés pour former des anodes de batterie. La taille relativement grande de la poudre composite - mille fois plus grande que les nanoparticules de silicium individuelles - permet un traitement facile de la poudre pour la fabrication des anodes.
Les canaux internes dans les sphères de silicium-carbone servent à deux fins. Ils admettent un électrolyte liquide pour permettre une entrée rapide des ions lithium pour une charge rapide de la batterie, et ils fournissent un espace pour s'adapter à l'expansion et à la contraction du silicium sans fissurer l'anode. Les canaux internes et les particules à l'échelle nanométrique fournissent également de courts chemins de diffusion du lithium dans l'anode, augmenter les caractéristiques de puissance de la batterie.
La taille des particules de silicium est contrôlée par la durée du processus de dépôt chimique en phase vapeur et la pression appliquée au système de dépôt. La taille des branches des nanostructures de carbone et la taille des sphères de silicium déterminent la taille des pores du composite.
La production des composites silicium-carbone pourrait être étendue en tant que processus continu se prêtant à la fabrication de poudres à très haut volume, dit Yushin. Parce que les sphères composites finales sont relativement grandes lorsqu'elles sont fabriquées en anodes, la technique d'auto-assemblage évite les risques potentiels pour la santé de la manipulation de poudres nanométriques, il ajouta.
Une fois fabriqué, les anodes nanocomposites seraient utilisées dans les batteries au même titre que les structures conventionnelles en graphite. Cela permettrait aux fabricants de batteries d'adopter le nouveau matériau d'anode sans modifier radicalement les processus de production.
Jusque là, les chercheurs ont testé la nouvelle anode sur plus d'une centaine de cycles de charge-décharge. Yushin pense que le matériau resterait stable pendant des milliers de cycles car aucun mécanisme de dégradation n'est devenu apparent.
« Si cette technologie peut offrir un coût inférieur sur une base de capacité, ou un poids plus léger par rapport aux techniques actuelles, cela contribuera à faire progresser le marché des batteries au lithium, " dit-il. " Si nous sommes capables de produire des batteries moins chères qui durent longtemps, cela pourrait également faciliter l'adoption de nombreuses technologies « vertes », comme les véhicules électriques ou les cellules solaires.
