Un groupe de recherche dirigé par Naoki Fukata, un leader du groupe Matériaux semi-conducteurs nanostructurés au Centre international de nanoarchitectonique des matériaux (MANA), Institut national des sciences des matériaux (NIMS), Japon, et un groupe de recherche au Georgia Institute of Technology, NOUS, ont développé conjointement un matériau d'anode pour batteries rechargeables lithium (Li)-ion en formant des nanoparticules faites de composites silicium (Si)-métal sur des substrats métalliques. Le matériau d'anode résultant avait une capacité élevée - presque deux fois plus élevée que les matériaux conventionnels - et une longue durée de vie. Ces résultats conduiront au développement de capacités plus élevées, matériaux d'anode à plus longue durée de vie pour les batteries rechargeables Li-ion.

Maintenant, les matériaux à base de carbone sont utilisés comme anodes pour les batteries rechargeables Li-ion, et leurs capacités vont jusqu'à 370 mAh/g. En théorie, leurs capacités peuvent être augmentées de plus de 10 fois à 4, 200 mAh/g, à condition que du Si pur soit utilisé comme matériau d'anode. Cependant, Si pur est hautement extensible, trois à quatre fois en volume, pendant le processus d'incorporation de l'ion Li. En raison de cette propriété, les matériaux d'anode en silicium pur ont tendance à se fissurer car une grande quantité de contraintes leur est appliquée pendant les cycles de charge-décharge répétés, et par conséquent, l'utilisation de Si pur en vrac comme matériau d'anode raccourcit considérablement la durée de vie de la batterie. Par conséquent, Si pur n'avait pas été utilisé jusqu'à récemment.

Les groupes de recherche conjoints ont formé des nanofils de germanium (Ge) unidimensionnels sur des substrats métalliques, puis ont créé des composites Si-métal nanostructurés en utilisant les nanofils comme couche de matériau de base. Le matériau nanostructuré formé est caractérisé par de nombreuses cavités existant à l'intérieur de nanoparticules agrégées de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres à une centaine de nanomètres. Il existe également des cavités plus importantes entre les composites Si-métal et les nanostructures Ge (Fig. 1). Une autre caractéristique est que le matériau est constitué non seulement de Si pur, mais également d'atomes de métal (principalement de fer) qui sont fournis spontanément à partir du substrat via les nanostructures de Ge sous-jacentes et incorporés dans le matériau Si en croissance, former des composites silicium-métal.

Sur la base des évaluations des propriétés de charge-décharge des échantillons fabriqués, les groupes de recherche ont confirmé que la capacité du nouveau matériau d'anode était environ le double de la capacité des matériaux d'anode actuels, et sa durée de vie a également été prolongée par rapport aux matériaux conventionnels.

Le nouveau matériau est capable d'augmenter à la fois la capacité et la durée de vie des anodes de batterie rechargeable Li-ion. Les groupes de recherche ont atteint ces caractéristiques en créant des cavités internes dans le matériau, qui servent d'espace tampon pour absorber les contraintes générées par l'expansion du Si pur, et en régulant la composition de Si et d'éléments métalliques dans la nanostructure à base de Si.