Une nouvelle électrode de batterie contient des nanoparticules de silicium regroupées comme des graines de grenade dans une écorce de carbone résistante. (Il s'agit d'un concept artistique, non représentatif de la batterie réelle.) Crédit :Greg Stewart/SLAC
avec des nanoparticules de silicium regroupées comme des graines dans une écorce de carbone dure - surmonte plusieurs obstacles restants à l'utilisation du silicium pour une nouvelle génération de batteries lithium-ion, disent ses inventeurs de l'Université de Stanford et du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie.
« Bien qu'il reste quelques défis à relever, cette conception nous rapproche de l'utilisation d'anodes en silicium dans des dimensions plus petites, des batteries plus légères et plus puissantes pour des produits comme les téléphones portables, tablettes et voitures électriques, " dit Yi Cui, un professeur agrégé à Stanford et au SLAC qui a dirigé la recherche, rapporté aujourd'hui dans Nature Nanotechnologie .
"Les expériences ont montré que notre anode inspirée de la grenade fonctionne à 97% de sa capacité même après 1, 000 cycles de charge et de décharge, ce qui le place bien dans la plage souhaitée pour un fonctionnement commercial."
L'anode, ou électrode négative, C'est là que l'énergie est stockée lorsqu'une batterie se charge. Les anodes en silicium pourraient stocker 10 fois plus de charge que les anodes en graphite des batteries lithium-ion rechargeables d'aujourd'hui, mais ils ont aussi des inconvénients majeurs :Le silicium cassant gonfle et se désagrège lors de la charge de la batterie, et il réagit avec l'électrolyte de la batterie pour former de la crasse qui recouvre l'anode et dégrade ses performances.
Au cours des huit dernières années, L'équipe de Cui a résolu le problème de la rupture en utilisant des nanofils ou des nanoparticules de silicium qui sont trop petits pour se briser en morceaux encore plus petits et en enveloppant les nanoparticules dans des « coquilles de jaune » de carbone qui leur donnent de la place pour gonfler et rétrécir pendant la charge.
À gauche :des nanoparticules de silicium sont enfermées dans des « coquilles de jaune » de carbone et regroupées comme des graines dans une grenade. Chaque grappe a une écorce de carbone qui la maintient ensemble, conduit l'électricité et minimise les réactions avec l'électrolyte de la batterie qui peuvent dégrader les performances. Crédit :Nian Liu, Zhenda Lu et Yi Cui/Stanford
La nouvelle étude s'appuie sur ce travail. L'étudiant diplômé Nian Liu et la chercheuse postdoctorale Zhenda Lu ont utilisé une technique de microémulsion courante dans l'huile, industries de la peinture et des cosmétiques pour rassembler les coquilles de jaune de silicium en grappes, et enduit chaque grappe d'une seconde, couche de carbone plus épaisse. Ces écorces de carbone maintiennent les grappes de grenade ensemble et fournissent une autoroute solide pour les courants électriques.
Et comme chaque grappe de grenade n'a qu'un dixième de la surface des particules individuelles à l'intérieur, une zone beaucoup plus petite est exposée à l'électrolyte, réduisant ainsi la quantité de crasse qui se forme à un niveau gérable.
Bien que les grappes soient trop petites pour être vues individuellement, ensemble, ils forment une fine poudre noire qui peut être utilisée pour enduire un morceau de papier d'aluminium et former une anode. Des tests en laboratoire ont montré que les anodes de grenade fonctionnaient bien lorsqu'elles étaient fabriquées dans l'épaisseur requise pour les performances des batteries commerciales.
En contrôlant précisément le processus de fabrication, Les chercheurs de Stanford et du SLAC peuvent produire des grappes de grenade d'une taille spécifique pour les anodes de batterie au silicium. Crédit :Nian Liu, Zhenda Lu et Yi Cui/Stanford
Bien que ces expériences montrent que la technique fonctionne, Cui a dit, l'équipe devra résoudre deux autres problèmes pour le rendre viable à l'échelle commerciale :ils doivent simplifier le processus et trouver une source moins chère de nanoparticules de silicium. Une source possible est les balles de riz :elles sont impropres à l'alimentation humaine, produit par des millions de tonnes et 20 pour cent de dioxyde de silicium en poids. Selon Liu, ils pourraient être transformés en nanoparticules de silicium pur relativement facilement, comme son équipe l'a récemment décrit dans Scientific Reports.
"Pour moi, c'est très excitant de voir à quel point nous avons progressé au cours des sept ou huit dernières années, " Cui a dit, "et comment nous avons résolu les problèmes un par un."
