La nouvelle anode de nanotubes de silicium à double paroi est fabriquée par un processus intelligent en quatre étapes :des nanofibres de polymère (vertes) sont fabriquées, puis chauffé (avec, et puis sans, air) jusqu'à ce qu'ils soient réduits en carbone (noir). Du silicium (bleu clair) est enduit sur l'extérieur des fibres de carbone. Finalement, le chauffage dans l'air chasse le carbone et crée le tube ainsi que la couche d'oxyde de serrage (rouge). Crédit :Hui Wu, Stanford, et Yi Cui
(Phys.org) -- Depuis plus d'une décennie, les scientifiques ont essayé d'améliorer les batteries à base de lithium en remplaçant le graphite dans un terminal par du silicium, qui peut stocker 10 fois plus de charge. Mais après seulement quelques cycles de charge/décharge, la structure de silicium se fissurerait et s'effondrerait, rendant la batterie inutile.
Maintenant, une équipe dirigée par le scientifique des matériaux Yi Cui de Stanford et du SLAC a trouvé une solution :une nanostructure à double paroi astucieusement conçue qui dure plus de 6, 000 cycles, bien plus que ce dont ont besoin les véhicules électriques ou l'électronique mobile.
« Il s'agit d'un développement très excitant vers notre objectif de créer de plus petits, des batteries plus légères et plus durables que celles disponibles aujourd'hui, », a déclaré Cui. Les résultats ont été publiés le 25 mars dans Nature Nanotechnologie .
Les batteries lithium-ion sont largement utilisées pour alimenter les appareils des véhicules électriques aux appareils électroniques portables, car elles peuvent stocker une quantité relativement importante d'énergie dans un boîtier relativement léger. La batterie fonctionne en contrôlant le flux d'ions lithium à travers un électrolyte fluide entre ses deux bornes, appelé anode et cathode.
La promesse – et le péril – d'utiliser le silicium comme anode dans ces batteries vient de la façon dont les ions lithium se lient à l'anode pendant le cycle de charge. Jusqu'à quatre ions lithium se lient à chacun des atomes d'une anode en silicium - contre un pour six atomes de carbone dans l'anode en graphite actuelle - ce qui lui permet de stocker beaucoup plus de charge.
Cependant, il gonfle également l'anode jusqu'à quatre fois son volume initial. Qui plus est, une partie de l'électrolyte réagit avec le silicium, l'enduire et inhiber la poursuite de la charge. Lorsque le lithium s'écoule de l'anode pendant la décharge, l'anode se rétracte à sa taille d'origine et le revêtement se fissure, exposer du silicium frais à l'électrolyte.
En quelques cycles seulement, la tension d'expansion et de contraction, combiné à l'attaque électrolytique, détruit l'anode par un processus appelé "décrépitation".
Au cours des cinq dernières années, Le groupe de Cui a progressivement amélioré la durabilité des anodes de silicium en les fabriquant à partir de nanofils puis de nanoparticules de silicium creuses. Sa dernière conception consiste en un nanotube de silicium à double paroi recouvert d'une fine couche d'oxyde de silicium, un matériau céramique très résistant.
Cette couche externe solide empêche la paroi externe du nanotube de se dilater, donc il reste intact. Au lieu, le silicium gonfle sans danger dans l'intérieur creux, qui est également trop petit pour que les molécules d'électrolyte entrent. Après le premier cycle de charge, il fonctionne depuis plus de 6, 000 cycles avec 85 % de capacité restante.
Cui a déclaré que les futures recherches visent à simplifier le processus de fabrication des nanotubes de silicium à double paroi. D'autres membres de son groupe développent de nouvelles cathodes hautes performances à combiner avec la nouvelle anode pour former une batterie cinq fois plus performante que la technologie lithium-ion actuelle.
En 2008, Cui a fondé une entreprise, Ampère, qui a concédé sous licence les droits sur les brevets de Stanford pour sa technologie d'anode à nanofils de silicium. Son objectif à court terme est de produire une batterie avec une densité énergétique deux fois plus élevée que les batteries lithium-ion actuelles.
