Rice University et Lockheed Martin ont créé une poudre de silicium poreux qui peut conduire à des puissantes batteries lithium-ion. Cinquante milligrammes de poudre traitée dans le flacon de droite ont une surface beaucoup plus grande qu'un poids identique de silicium broyé dans le flacon de gauche. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
(Phys.org) - Des chercheurs de l'Université Rice ont affiné la technologie lithium-ion à base de silicium en écrasant littéralement leurs travaux précédents pour en faire un appareil à haute capacité, matériau d'anode à longue durée de vie et à faible coût avec un potentiel commercial important pour les batteries au lithium rechargeables.
L'équipe dirigée par l'ingénieur Rice Sibani Lisa Biswal et le chercheur Madhuri Thakur a rapporté dans La nature la revue en libre accès de Rapports scientifiques sur la création d'une anode à base de silicium, l'électrode négative d'une batterie, qui atteint facilement 600 cycles de charge-décharge à 1, 000 milliampères-heures par gramme (mAh/g). Il s'agit d'une amélioration significative par rapport à la capacité de 350 mAh/g des anodes en graphite actuelles.
Cela le place carrément dans le domaine de la technologie de batterie de nouvelle génération en compétition pour réduire les coûts et étendre la portée des véhicules électriques.
Le nouveau travail de Rice par le biais du Lockheed Martin Advanced Nanotechnology Center of Excellence at Rice (LANCER) est la prochaine et la plus grande étape logique depuis que les partenaires ont commencé à étudier les batteries il y a quatre ans.
"Nous avons déjà signalé la fabrication de films de silicium poreux, " dit Biswal, professeur adjoint de génie chimique et biomoléculaire. "Nous avons cherché à nous éloigner de la géométrie du film pour quelque chose qui peut être facilement transféré dans le processus de fabrication de batterie actuel. Madhuri a écrasé le film de silicium poreux pour former des particules de silicium poreux, une poudre qui peut être facilement adoptée par les fabricants de batteries."
Une batterie demi-cellule qui incorpore un silicium poreux développé à l'Université Rice a réalisé plus de 600 cycles de charge-décharge en laboratoire. Les travaux sont prometteurs pour les batteries de prochaine génération pour les véhicules électriques. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Le silicium peut contenir 10 fois plus d'ions lithium que le graphite couramment utilisé dans les anodes aujourd'hui. Mais il y a un problème :le silicium fait plus que tripler son volume lorsqu'il est complètement lithié. Lorsqu'il est répété, ce gonflement et ce rétrécissement provoquent la décomposition rapide du silicium.
De nombreux chercheurs ont travaillé sur des stratégies pour rendre le silicium plus adapté à l'utilisation des batteries. Les scientifiques de Rice et d'ailleurs ont créé du silicium nanostructuré avec un rapport surface/volume élevé, ce qui permet au silicium de s'adapter à une plus grande expansion de volume. Biswal, auteur principal Thakur et co-auteur Michael Wong, professeur de génie chimique et biomoléculaire et de chimie, essayé l'approche opposée; ils ont gravé des pores dans des plaquettes de silicium pour donner au matériau la possibilité de se dilater. Au début de cette année, ils avaient avancé dans la fabrication de films de silicone en forme d'éponge qui étaient encore plus prometteurs.
La poudre de silicium poreux mélangée à du polyacrylonitrile pyrolysé constitue la base d'une anode robuste pour les batteries lithium-ion. Les anodes développées avec la poudre à l'Université Rice ont réalisé plus de 600 cycles de charge-décharge en laboratoire. Crédit :Madhuri Thakur/Université du riz
Mais même ces films présentaient un problème pour les fabricants, dit Thakur. "Ils ne sont pas faciles à manipuler et seraient difficiles à étendre." Mais en écrasant les éponges en grains poreux, le matériau gagne beaucoup plus de surface pour absorber les ions lithium.
Biswal a brandi deux fioles, un contenant 50 milligrammes de silicium concassé, les 50 autres milligrammes de poudre de silicium poreux. La différence entre eux était évidente. "La surface de notre matériau est de 46 mètres carrés par gramme, " dit-elle. " Le silicium broyé est de 0,71 mètre carré par gramme. Nos particules ont donc plus de 50 fois la surface, ce qui nous donne une plus grande surface de lithiation, avec beaucoup d'espace vide pour s'adapter à l'expansion." La poudre de silicium poreux est mélangée avec un liant, polyacrylonitrile pyrolysé (PAN), qui offre un support conducteur et structurel.
« Sous forme de poudre, ils peuvent être utilisés dans le traitement roll-to-roll à grande échelle par l'industrie, " a déclaré Thakur. " Le matériau est très simple à synthétiser, rentable et offre une capacité énergétique élevée sur un grand nombre de cycles."
"Ce travail montre à quel point il est important et utile de pouvoir contrôler les pores internes et la taille externe des particules de silicium, " a déclaré Wong.
Dans des expériences récentes, Thakur a conçu une batterie demi-cellule avec du lithium métal comme contre-électrode et a fixé la capacité de l'anode à 1, 000 mAh/g. C'était seulement environ un tiers de sa capacité théorique, mais trois fois mieux que les batteries actuelles. Les anodes ont duré 600 cycles de charge-décharge à un taux C/2 (deux heures pour charger et deux heures pour se décharger). Une autre anode continue à cycler à un taux C/5 (charge de cinq heures et décharge de cinq heures) et devrait rester à 1, 000 mAh/g pendant plus de 700 cycles.
« Cet effort réussi entre l'Université Rice et Lockheed Martin Mission Systems and Sensors apportera une amélioration significative de la technologie des batteries grâce au développement de cette technique de fabrication peu coûteuse pour le matériau d'anode en silicium, " a déclaré Steven Sinsabaugh, un Lockheed Martin Fellow qui travaille avec LANCER et un co-auteur de l'article avec le chercheur de Lockheed Martin Mark Isaacson. « Nous sommes vraiment enthousiasmés par cette percée et sommes impatients de faire la transition de cette technologie vers le marché commercial. »
"La prochaine étape sera de tester cette poudre de silicium poreux comme anode dans une batterie pleine, " a déclaré Biswal. " Nos résultats préliminaires avec de l'oxyde de cobalt comme cathode semblent très prometteurs, et il y a de nouveaux matériaux cathodiques que nous aimerions étudier."
