Une nouvelle étude aidera les chercheurs à créer des batteries rechargeables au lithium de plus grande capacité, qui sont couramment utilisés dans l'électronique grand public. Dans une étude publiée dans la revue ACS Nano , les chercheurs ont montré comment un revêtement qui rend les électrodes de silicium de haute capacité plus durables pourrait conduire à un remplacement des électrodes de graphite de plus faible capacité.

« Comprendre le fonctionnement du revêtement nous donne une indication de la direction dans laquelle nous devons nous diriger pour surmonter les problèmes avec les électrodes en silicium, ", a déclaré le scientifique des matériaux Chongmin Wang du Pacific Northwest National Laboratory du ministère de l'Énergie.

Grâce à son potentiel de capacité électrique élevé, le silicium est l'une des choses les plus chaudes dans le développement des batteries lithium-ion de nos jours. Le remplacement de l'électrode en graphite dans les batteries au lithium rechargeables par du silicium pourrait décupler la capacité, en les faisant durer plusieurs heures de plus avant qu'ils ne manquent de jus. Le problème? Les électrodes en silicone ne sont pas très durables - après quelques dizaines de recharges, ils ne peuvent plus retenir l'électricité.

C'est en partie dû à la façon dont le silicium absorbe le lithium, comme une éponge. Lors de la charge, le lithium s'infiltre dans l'électrode de silicium. Le lithium fait gonfler l'électrode de silicium jusqu'à trois fois sa taille d'origine. Peut-être en raison du gonflement ou pour d'autres raisons inconnues, le silicium se brise et se désagrège.

Les chercheurs ont utilisé des électrodes constituées de minuscules sphères de silicium d'environ 150 nanomètres de large - environ mille fois plus petites qu'un cheveu humain - pour surmonter certaines des limitations du silicium en tant qu'électrode. La petite taille permet au silicium de se charger rapidement et complètement - une amélioration par rapport aux électrodes en silicium antérieures - mais n'atténue que partiellement le problème de fracturation.

L'année dernière, la scientifique des matériaux Chunmei Ban et ses collègues du National Renewable Energy Laboratory à Golden, Colorado, et l'Université du Colorado, Boulder a découvert qu'ils pouvaient recouvrir les nanoparticules de silicium d'un revêtement semblable à du caoutchouc fabriqué à partir de glycérol d'aluminium. Les particules de silicium enrobées ont duré au moins cinq fois plus longtemps - les particules non enrobées sont mortes en 30 cycles, mais ceux revêtus portaient encore une charge après 150 cycles.

Les chercheurs ne savaient pas comment ce revêtement améliorait les performances des nanoparticules de silicium. Les nanoparticules développent naturellement une coque dure d'oxyde de silicium à leur surface, tout comme l'acier inoxydable forme une couche protectrice d'oxyde de chrome sur sa surface. Personne n'a compris si la couche d'oxyde interférait avec les performances de l'électrode, et si oui, comment le revêtement caoutchouteux l'a amélioré.

Pour mieux comprendre le fonctionnement du revêtement, Wang et ses collègues du PNNL, y compris Ban, tourné vers une expertise et un instrument unique à l'EMSL, Laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement du DOE, une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science au PNNL.

Le groupe de Ban, qui a développé le revêtement des électrodes en silicium, appelé alucone, et est actuellement le seul groupe capable de créer des particules de silicium recouvertes d'alucone - a pris des images à fort grossissement des particules au microscope électronique. Mais l'équipe de Wang dispose d'un microscope qui peut voir les particules en action, pendant qu'ils sont chargés et déchargés. Donc, Yang He de l'Université de Pittsburgh a exploré les nanoparticules de silicium enrobées en action à l'EMSL.

L'équipe a découvert que, sans le revêtement en alucone, la coque d'oxyde empêche le silicium de se dilater et limite la quantité de lithium que la particule peut absorber lorsqu'une batterie se charge. À la fois, ils ont constaté que le revêtement d'alucone ramollit les particules, ce qui facilite leur expansion et leur rétrécissement avec le lithium.

Et les images microscopiques ont révélé autre chose :l'alucone caoutchouteux remplace l'oxyde dur. Cela permet au silicium de se dilater et de se contracter pendant la charge et la décharge, prévenir la fracturation.

"Nous avons été étonnés que l'oxyde ait été retiré, " a déclaré Wang. "Normalement, il est difficile d'enlever un oxyde. Pour cela, il faut utiliser de l'acide. Mais cette méthode de dépôt moléculaire qui enrobe les particules a complètement changé la couche protectrice."

En outre, les particules avec les coquilles d'oxyde ont tendance à fusionner pendant le chargement, augmentant leur taille et empêchant le lithium de pénétrer le silicium. Le revêtement caoutchouteux a maintenu les particules séparées, leur permettant de fonctionner de manière optimale.

À l'avenir, les chercheurs aimeraient développer une méthode plus simple de revêtement des nanoparticules de silicium.