Images au microscope électronique à balayage de (a) nanofibres de SiO2 après séchage, (b) nanofibres de SiO2 sous fort grossissement (c) nanofibres de silicium après gravure, et (d) des nanofibres de silicium sous fort grossissement.
Des chercheurs de l'Université de Californie, Le Bourns College of Engineering de Riverside a développé un nouveau matériau semblable à du papier pour les batteries lithium-ion. Il a le potentiel de multiplier par plusieurs fois l'énergie spécifique, ou quantité d'énergie qui peut être délivrée par unité de poids de la batterie.
Ce matériau semblable à du papier est composé de nanofibres de silicium en forme d'éponge plus de 100 fois plus fines que les cheveux humains. Il pourrait être utilisé dans les batteries des véhicules électriques et de l'électronique personnelle.
Les résultats viennent d'être publiés dans un article, "Vers des électrodes sans liant évolutives :papier de nanofibres de silicium enduit de carbone via la réduction du magnésium des nanofibres SiO2 électrofilées, " dans la revue Rapports scientifiques sur la nature . Les auteurs étaient Mihri Ozkan, professeur de génie électrique et informatique, Cengiz S. Ozkan, professeur de génie mécanique, et six de leurs étudiants diplômés :Zach Favors, Baie Hamed Hosseini, Zafer Mutlu, Kazi Ahmed, Robert Ionescu et Rachel Ye.
Les nanofibres ont été produites à l'aide d'une technique connue sous le nom d'électrofilage, où 20, 000 à 40, 000 volts sont appliqués entre un tambour rotatif et une buse, qui émet une solution composée principalement d'orthosilicate de tétraéthyle (TEOS), un composé chimique fréquemment utilisé dans l'industrie des semi-conducteurs. Les nanofibres sont ensuite exposées à de la vapeur de magnésium pour produire la structure de fibre de silicium en forme d'éponge.
Les anodes de batterie lithium-ion produites de manière conventionnelle sont fabriquées à l'aide d'une feuille de cuivre recouverte d'un mélange de graphite, un additif conducteur, et un liant polymère. Mais, parce que les performances du graphite ont été presque épuisées, les chercheurs expérimentent d'autres matériaux, comme le silicium, qui a une capacité spécifique, ou charge électrique par unité de poids de la batterie, près de 10 fois plus élevé que le graphite.
(a) Représentation schématique du processus d'électrofilage et du processus de réduction ultérieur. Photographies numériques de (b) papier de nanofibres SiO2 brut de filage, (c) du papier de nanofibres de silicium gravé, et (d) du papier de nanofibres de silicium enduit de carbone tel qu'utilisé dans la configuration à demi-cellule lithium-ion.
Le problème avec le silicium est qu'il souffre d'une expansion de volume importante, ce qui peut rapidement dégrader la batterie. La structure en nanofibres de silicium créée dans les laboratoires d'Ozkan contourne ce problème et permet à la batterie d'être cyclée des centaines de fois sans dégradation significative.
« Éliminer le besoin de collecteurs de courant métalliques et de liants polymères inactifs tout en passant à un matériau dense en énergie tel que le silicium augmentera considérablement les capacités d'autonomie des véhicules électriques, ", a déclaré Faveurs.
Cette technologie résout également un problème qui a tourmenté les installations autonomes, ou sans classeur, électrodes pendant des années :évolutivité. Matériaux autoportants cultivés par dépôt chimique en phase vapeur, tels que les nanotubes de carbone ou les nanofils de silicium, ne peut être produit qu'en très petites quantités (microgrammes). Cependant, Favors a pu produire plusieurs grammes de nanofibres de silicium à la fois, même à l'échelle du laboratoire.
Les futurs travaux des chercheurs consistent à implémenter les nanofibres de silicium dans une batterie lithium-ion au format poche, qui est un format de batterie à plus grande échelle qui peut être utilisé dans les véhicules électriques et les appareils électroniques portables.
