Des pores microscopiques parsèment une plaquette de silicium préparée pour être utilisée dans une batterie lithium-ion. Le silicium a un grand potentiel pour augmenter la capacité de stockage des batteries, et les pores l'aident à se dilater et à se contracter à mesure que le lithium est stocké et libéré. (Crédit :Biswal Lab/Rice University)
Une équipe de scientifiques de l'Université Rice et de Lockheed Martin a découvert un moyen d'utiliser du silicium simple pour augmenter radicalement la capacité des batteries lithium-ion.
Sibani Lisa Biswal, professeur assistant en génie chimique et biomoléculaire, a révélé comment elle, collègue Michael Wong, professeur de génie chimique et biomoléculaire et de chimie, et Steven Sinsabaugh, un boursier Lockheed Martin, améliorent la capacité inhérente du silicium à absorber les ions lithium.
Leur travail a été présenté aujourd'hui à la conférence Buckyball Discovery de Rice, dans le cadre d'une célébration d'un an du 25e anniversaire de la découverte du buckminsterfullerene, lauréat du prix Nobel, ou carbone 60, molécule. ( PhysOrg.com est un sponsor média officiel de l'événement ). Il pourrait devenir un élément clé pour les batteries de voitures électriques et le stockage d'énergie de grande capacité, ils ont dit.
"L'anode, ou négatif, côté des batteries d'aujourd'hui est en graphite, qui fonctionne. Il y en a partout, " dit Wong. "Mais c'est au maximum. Vous ne pouvez pas mettre plus de lithium dans le graphite que nous n'en avons déjà."
Le silicium a la capacité théorique la plus élevée de tous les matériaux pour stocker le lithium, mais il y a un sérieux inconvénient à son utilisation. "Il peut absorber beaucoup de lithium, environ 10 fois plus que le carbone, ce qui semble fantastique, " a déclaré Wong. "Mais après quelques cycles de gonflement et de rétrécissement, ça va craquer."
Une vue latérale de pores microscopiques dans le silicium. (Crédit :Biswal Lab/Rice University)
D'autres laboratoires ont essayé de résoudre le problème avec des tapis de nanofils de silicium qui absorbent le lithium comme une vadrouille absorbe l'eau, mais l'équipe Rice a pris une approche différente.
Avec Mahduri Thakur, chercheur post-doctoral au département de génie chimique et biomoléculaire de Rice, et Mark Isaacson de Lockheed Martin, Biswal, Wong et Sinsabaugh ont découvert que le fait de placer des pores de la taille d'un micron dans la surface d'une plaquette de silicium donne au matériau suffisamment d'espace pour se dilater. Alors que les batteries lithium-ion courantes contiennent environ 300 milliampères-heures par gramme de matériau d'anode à base de carbone, ils ont déterminé que le silicium traité pouvait théoriquement stocker plus de 10 fois cette quantité.
Sinsabaugh a décrit cette percée comme l'un des premiers fruits du Lockheed Martin Advanced Nanotechnology Center of Excellence at Rice (LANCER). Il a déclaré que le projet avait commencé il y a trois ans lorsqu'il avait rencontré Biswal à Rice et avait comparé ses notes. "Elle travaillait sur du silicium poreux, et je savais que les nanostructures de silicium étaient à l'étude pour les anodes de batterie. Nous mettons deux et deux ensemble, " il a dit.
Les nanopores sont plus simples à créer que les nanofils de silicium, dit Biswal. Les pores, un micron de large et de 10 à 50 microns de long, se former lorsqu'une charge positive et négative est appliquée sur les côtés d'une plaquette de silicium, qui est ensuite baigné dans un solvant fluorhydrique. "Les atomes d'hydrogène et de fluorure se séparent, " dit-elle. " Le fluor attaque un côté du silicium, formant les pores. Ils se forment verticalement en raison du biais positif et négatif."
Le silicium traité, elle a dit, "On dirait du fromage suisse."
Le processus simple le rend très adaptable pour la fabrication, elle a dit. "Nous n'avons pas besoin de certaines des étapes de traitement difficiles qu'ils effectuent - les vides poussés et le lavage des nanotubes. La gravure en vrac est beaucoup plus simple à traiter.
"L'autre avantage est que nous avons vu des durées de vie assez longues. Nos batteries actuelles ont 200-250 cycles, beaucoup plus longtemps que les batteries nanofils, " dit Biswal.
Ils ont dit que mettre des pores dans le silicium nécessite un véritable équilibre, comme plus d'espace est dédié aux trous, moins il y a de matériau disponible pour stocker le lithium. Et si le silicium se dilate au point où les parois des pores se touchent, le matériau pourrait se dégrader.
Les chercheurs sont convaincus que bon marché, le silicium abondant combiné à la facilité de fabrication pourrait aider à faire passer leur idée dans le courant dominant.
"Nous sommes très enthousiasmés par le potentiel de ce travail, " a déclaré Sinsabaugh. " Ce matériau a le potentiel d'augmenter considérablement les performances des batteries lithium-ion, qui sont utilisés dans un large éventail de commerciaux, applications militaires et aérospatiales
Biswal et Wong prévoient d'étudier le mécanisme par lequel le silicium absorbe le lithium et comment et pourquoi il se décompose. "Notre objectif est de développer un modèle de la contrainte que subit le silicium dans le cyclage du lithium, " dit Wong. " Une fois que nous comprenons cela, nous aurons une bien meilleure idée de la façon de maximiser son potentiel."
