Des chercheurs de l'USC Viterbi School of Engineering ont amélioré les performances et la capacité des batteries au lithium en développant des matériaux moins chers pour une utilisation dans les anodes et les cathodes (électrodes négatives et positives, respectivement).
Les batteries lithium-ion sont un type populaire de batterie rechargeable que l'on trouve couramment dans les appareils électroniques portables et les voitures électriques ou hybrides. Traditionnellement, les batteries lithium-ion contiennent une anode en graphite, mais le silicium a récemment émergé comme un substitut d'anode prometteur car il est le deuxième élément le plus abondant sur terre et a une capacité théorique de 3600 milliampères-heures par gramme (mAh/g), presque 10 fois la capacité du graphite. La capacité d'une batterie lithium-ion est déterminée par le nombre d'ions lithium pouvant être stockés dans la cathode et l'anode. L'utilisation de silicium dans l'anode augmente considérablement la capacité de la batterie car un atome de silicium peut lier jusqu'à 3,75 ions lithium, alors qu'avec une anode en graphite, six atomes de carbone sont nécessaires pour chaque atome de lithium.
L'équipe de l'USC Viterbi a développé une anode en silicium rentable (et donc commercialement viable) avec une capacité stable supérieure à 1100 mAh/g pour 600 cycles prolongés, rendant leur anode presque trois fois plus puissante et plus durable qu'une anode commerciale typique.
Jusqu'à récemment, la mise en œuvre réussie des anodes en silicium dans les batteries lithium-ion s'est heurtée à un obstacle de taille :la pulvérisation sévère de l'électrode due à l'expansion et à la rétraction de volume qui se produisent avec l'utilisation du silicium. L'année dernière, la même équipe dirigée par le professeur de génie électrique de l'USC Viterbi Chongwu Zhou a développé une conception d'anode réussie utilisant des nanofils de silicium poreux qui ont permis au matériau de se dilater et de se contracter sans se casser, résoudre efficacement le problème de pulvérisation.
Cette solution a donné un nouveau problème, cependant :la méthode de production de silicium nanostructuré était d'un coût prohibitif pour une adoption commerciale.
Sans se décourager, L'étudiant diplômé Mingyuan Ge et d'autres membres de l'équipe de Zhou se sont appuyés sur leurs travaux antérieurs pour développer une méthode rentable de production de particules de silicium poreux grâce aux méthodes simples et peu coûteuses de broyage à billes et de gravure par tache.
"Notre méthode de production d'anodes en silicium nanoporeux est peu coûteuse et évolutive pour une production de masse dans la fabrication industrielle, qui fait du silicium un matériau d'anode prometteur pour la prochaine génération de batteries lithium-ion, " a déclaré Zhou. "Nous pensons qu'il s'agit de l'approche la plus prometteuse pour appliquer des anodes de silicium dans les batteries lithium-ion afin d'améliorer la capacité et les performances."
En outre, L'étudiant diplômé Jiepeng Rong et d'autres membres de l'équipe ont développé une méthode de revêtement de poudre de soufre avec de l'oxyde de graphène pour améliorer les performances des batteries lithium-soufre. Le soufre est un candidat cathodique prometteur depuis de nombreuses années en raison de sa capacité théorique élevée, qui est plus de 10 fois supérieure à celle des cathodes traditionnelles à oxyde métallique ou phosphate. Le soufre élémentaire est également abondant, pas cher, et a une faible toxicité. Cependant, l'application pratique du soufre a été grandement entravée par des défis, notamment une mauvaise conductivité et une mauvaise cyclabilité, ce qui signifie que la batterie perd de la puissance après chaque charge et meurt après un nombre inférieur de recharges.
Leurs recherches ont prouvé qu'un revêtement d'oxyde de graphène sur du soufre peut résoudre les deux problèmes. L'oxyde de graphène a des propriétés uniques telles qu'une grande surface spécifique, stabilité chimique, résistance mécanique et souplesse, et est donc couramment utilisé pour enrober des matériaux de base dans des produits tels que des capteurs ou des cellules solaires afin d'améliorer leurs performances. Le revêtement d'oxyde de graphène de l'équipe a amélioré la capacité de la cathode de soufre à 800 mAh/g pour 1000 cycles de charge/décharge, qui est plus de 5 fois la capacité des cathodes commerciales.
Zhou et son équipe ont récemment publié leurs résultats sur les anodes en silicium dans Lettres nano [1]. Le document était un effort de collaboration entre Zhou, Les étudiants diplômés de l'USC Viterbi Mingyuan Ge, Jiepeng Rong, et Xin Fang, ainsi que Matthew Mecklenburg du Center for Electron Microscopy and Microanalysis de l'USC, et des chercheurs de l'Université chinoise du Zhejiang et du Laboratoire national Lawrence Berkeley. Séparément, Zhou, Rong, Hé, et Fang ont également publié des résultats dans Lettres nano sur leur méthode pour produire facilement des cathodes de soufre recouvertes de graphène pour les batteries lithium-ion [2].
Maintenant que leurs tests séparés des électrodes négatives et positives ont donné d'excellents résultats, l'équipe travaille maintenant à les tester ensemble dans une batterie complète. Ils intégreront ensuite l'anode en silicium à la cathode en soufre, ainsi qu'avec d'autres matériaux cathodiques traditionnels, afin de maximiser la capacité de la batterie lithium-ion et les performances globales.
"Pour autant que l'on sache, nos technologies avec à la fois l'anode de silicium et la cathode de soufre sont parmi les solutions les plus rentables et sont donc prometteuses pour la commercialisation afin de fabriquer la prochaine génération de batteries lithium-ion pour alimenter l'électronique portable et les véhicules électriques, ", a déclaré Rong, étudiant diplômé de l'USC Viterbi.
