Une étude nanomécanique détaillée des processus de dégradation mécanique dans des structures en silicium contenant différents niveaux d'ions lithium offre de bonnes nouvelles aux chercheurs qui tentent de développer des batteries rechargeables fiables de nouvelle génération utilisant des électrodes à base de silicium.

Les anodes - les électrodes négatives - à base de silicium peuvent théoriquement stocker jusqu'à dix fois plus d'ions lithium que les électrodes classiques en graphite, rendant le matériau attrayant pour une utilisation dans des batteries lithium-ion hautes performances. Cependant, la fragilité du matériau a découragé les efforts pour utiliser du silicium pur dans les anodes de batterie, qui doit résister à des changements de volume dramatiques pendant les cycles de charge et de décharge.

En utilisant une combinaison de techniques expérimentales et de simulation, des chercheurs du Georgia Institute of Technology et de trois autres organismes de recherche ont signalé une tolérance aux dommages étonnamment élevée dans les matériaux de silicium lithiés électrochimiquement. Les travaux suggèrent que les anodes tout en silicium peuvent être commercialement viables si les niveaux de charge de la batterie sont maintenus suffisamment élevés pour maintenir le matériau dans son état ductile.

Soutenu par la National Science Foundation, la recherche est rapportée le 24 septembre dans le journal Communication Nature .

« Le silicium a une capacité théorique très élevée, mais en raison des problèmes mécaniques perçus, les gens ont été frustrés de l'utiliser dans des batteries de nouvelle génération, " dit Shuman Xia, professeur adjoint à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering de Georgia Tech. "Mais nos recherches montrent que le silicium lithié n'est pas aussi fragile qu'on aurait pu le penser. Si nous travaillons soigneusement avec la fenêtre opérationnelle et la profondeur de décharge, nos résultats suggèrent que nous pouvons potentiellement concevoir des batteries à base de silicium très durables. »

Les batteries lithium-ion sont utilisées aujourd'hui dans un large éventail d'applications, des appareils mobiles portables aux ordinateurs portables et aux véhicules électriques. Une nouvelle génération de batteries haute capacité pourrait faciliter l'extension des applications de transport et le stockage à grande échelle de l'électricité produite par des sources renouvelables.

Le défi est d'obtenir plus d'ions lithium dans les anodes et les cathodes des batteries. Les batteries au lithium d'aujourd'hui utilisent des anodes en graphite, mais le silicium a été identifié comme une alternative car il peut stocker sensiblement plus d'ions lithium par atome. Cependant, le stockage de ces ions produit un changement de volume allant jusqu'à 280 pour cent, provoquant des contraintes pouvant fissurer les anodes en silicium pur, entraînant une dégradation importante des performances. Une stratégie consiste à utiliser un composite de particules de silicium et de graphite, mais cela ne réalise pas tout le potentiel du silicium pour augmenter la capacité de la batterie.

Dans un effort pour comprendre ce qui se passait avec les matériaux, l'équipe de recherche a utilisé une série de tests nanomécaniques systématiques, soutenu par des simulations de dynamique moléculaire. Pour faciliter leur étude, ils ont utilisé des nanofils de silicium et des cellules électrochimiques contenant des films de silicium d'environ 300 nanomètres d'épaisseur.

The researchers studied the stress produced by lithiation of the silicon thin films, and used a nanoindenter - a tiny tip used to apply pressure on the film surface - to study crack propagation in these thin films, which contained varying amounts of lithium ions. Lithium-lean silicon cracked under the indentation stress, but the researchers were surprised to find that above a certain concentration of lithium, they could no longer crack the thin film samples.

Using unique experimental equipment to assess the effects of mechanical bending on partially lithiated silcon nanotires, researchers led by Professor Scott Mao at the University of Pittsburgh studied the nanowire damage mechanisms in real-time using a transmission electron microscope (TEM). Their in-situ testing showed that the silicon cores of the nanowires remained brittle, while the outer portion of the wires became more ductile as they absorbed lithium.

"Our nanoindentation and TEM experiments were very consistent, " said Xia. "Both suggest that lithiated silicon material becomes very tolerant of damage as the lithium concentration goes above a certain level - a lithium-to-silicon molar ratio of about 1.5. Beyond this level, we can't even induce cracking with very large indentation loads."

Ting Zhu, a professor in Woodruff School of Mechanical Engineering at Georgia Tech, conducted detailed molecular dynamics simulations to understand what was happening in the electrochemically-lithiated silicon. As more lithium entered the silicon structures, il a trouvé, the ductile lithium-lithium and lithium-silicon bonds overcame the brittleness of the silicon-silicon bonds, giving the resulting lithium-silicon alloy more desirable fracture strength.

"In our simulation of lithium-rich alloys, the lithium-lithium bonds dominate, " Zhu said. "The formation of damage and propagation of cracking can be effectively suppressed due to the large fraction of lithium-lithium and lithium-silicon bonds. Our simulation revealed the underpinnings of the alloy's transition from a brittle state to a ductile state."

Using the results of the studies, the researchers charted the changing mechanical properties of the silicon structures as a function of their lithium content. By suggesting a range of operating conditions under which the silicon remains ductile, Xia hopes the work will cause battery engineers to take a new look at all-silicon electrodes.

"Our work has fundamental and immediate implications for the development of high-capacity lithium-based batteries, both from practical and fundamental points of view, " he said. "Lithiated silicon can have a very high damage tolerance beyond a threshold value of lithium concentration. This tells us that silicon-based batteries could be made very durable if we carefully control the depth of discharge."

Dans les travaux futurs, Xia and Zhu hope to study the mechanical properties of germanium, another potential anode material for high-rate rechargeable lithium-ion batteries. They will also look at all-solid batteries, which would operate without a liquid electrolyte to shuttle ions between the two electrodes. "We hope to find a solid electrolyte with both high lithium ion conductivity and good mechanical strength for replacing the current liquid electrolytes that are highly flammable, " dit Zhu.

"The research framework we have developed here is of general applicability to a very wide range of electrode materials, " Xia noted. "We believe this work will stimulate a lot of new directions in battery research."