Une nouvelle méthode de caractérisation de l'évolution structurelle et chimique du silicium et une couche mince qui régit la stabilité de la batterie peuvent aider à résoudre les problèmes qui empêchent l'utilisation du silicium pour les batteries de grande capacité, selon un groupe de chercheurs.

La recherche porte sur l'interface de l'anode, une électrode négative, et l'électrolyte, qui permet à la charge de se déplacer entre l'anode et l'autre électrode, la cathode. Une couche d'interphase d'électrolyte solide (SEI) se forme généralement à la surface d'une électrode entre l'électrode solide et l'électrolyte liquide et est vitale pour la réaction électrochimique dans les batteries, tout en gouvernant la stabilité de la batterie. L'utilisation du silicium comme anode permettrait une meilleure batterie rechargeable.

« Au cours des 10 dernières années, le silicium a beaucoup attiré l'attention en tant qu'électrode négative de grande capacité pour les batteries rechargeables, " dit Sulin Zhang, professeur de sciences de l'ingénieur et de mécanique et de bio-ingénierie. « Les batteries actuellement commercialisées utilisent du graphite comme matériau d'anode, mais la capacité du silicium est d'environ 10 fois celle du graphite. Il y a des dizaines de millions, des centaines de millions même, de dollars investis dans la recherche sur les batteries au silicium pour cette raison."

C'est une bonne nouvelle pour une société qui cherche à électrifier ses infrastructures avec des véhicules électriques et une électronique portable puissante, cependant, il y a un défi. Pendant le processus de charge et de décharge de la batterie, le volume de silicium se dilate et se rétrécit, ce qui conduit à la fissuration du matériau silicium, et le SEI s'effondrera et se régénérera encore et encore. Cela entraîne une perte de contact électrique et une dégradation de la capacité, la quantité de charge stockée par la batterie.

Comprendre exactement comment ce processus se déroule à la fois structurellement et chimiquement est essentiel pour résoudre le problème.

"Parce que la stabilité de cette couche contrôle la stabilité de la batterie, vous ne voulez pas que cela se développe de manière incontrôlable car la création de cette couche consommera du matériau électrolytique ainsi que du lithium actif, " a déclaré Zhang. "Et cela peut conduire à l'assèchement des électrolytes et à la perte de matières actives, donc vous avez un effet négatif sur les performances de la batterie."

Le grand défi que Zhang et son équipe ont relevé, publié dans la revue Nature Nanotechnologie , a pu observer, caractériser et comprendre ce processus.

"La couche SEI est si critique pour la batterie, " dit Zhang. " Mais c'est très mince, invisible par tous les microscopes optiques et évolue dynamiquement pendant le cycle de la batterie. Il pourrait être accessible à un microscope électronique à transmission qui serait utilisé à des échelles très nanométriques, matériaux très fins. Mais pour un SEI, cette couche est assez molle et facilement détruite sur les faisceaux d'électrons car vous devez envoyer beaucoup d'électrons pour obtenir une image haute résolution des composants matériels."

Pour surmonter cela, les chercheurs ont utilisé la microscopie électronique à transmission à balayage cryogénique (cryo-STEM). Ils ont maintenu les matériaux d'électrode cyclés à des températures cryogéniques pendant la préparation et l'imagerie avec un microscope cryo-STEM pour minimiser les dommages causés à l'échantillon par le faisceau d'électrons. En outre, ils ont intégré la tomographie élémentaire sensible pour l'imagerie 3D, et un algorithme avancé conçu pour capturer des images à une dose d'électrons plus faible. Cette technique a permis une vue 3D de l'interaction SEI-silicium, prises après différents nombres de cycles de batterie.

"L'aspect unique de notre méthode est l'imagerie cryo-STEM et la modélisation de processus physiques multiples, " a déclaré Zhang. " Nous pouvons visualiser l'évolution du silicium et du SEI après le fonctionnement cyclique de la batterie; en parallèle, nous pouvons récapituler l'ensemble du processus d'évolution microstructurale au cours du cyclage à l'aide de simulations informatiques. C'est la nouveauté de cette recherche."

Les travaux de l'équipe ont permis de mieux comprendre les mécanismes qui provoquent la croissance et l'instabilité de la couche SEI dans une anode de silicium.

"Donc, avec la compréhension du mécanisme de croissance de la couche SEI, cela nous donnera beaucoup d'informations sur la façon d'améliorer les performances de l'anode en silicium ou la conception de la batterie, ", a déclaré Zhang. "Ensuite, nous pourrons créer une anode en silicium plus robuste pour la prochaine génération de batteries au lithium."

Cette prochaine génération de batteries au lithium présenterait de multiples avantages à la fois pour l'industrie et le consommateur moyen, il expliqua.

"Le silicium est très abondant et si nous pouvons utiliser du silicium comme anode avec une longue durée de vie, nous allons considérablement augmenter la capacité d'une batterie rechargeable, " dit Zhang. " Et, parce que le silicium est abondant, cela fera baisser le prix des batteries."

Armé de la compréhension critique de l'évolution de la couche SEI pendant la charge et la décharge dans une batterie avec une anode en silicium, Zhang a déclaré que la prochaine étape consistera à utiliser ces connaissances pour aider à concevoir une batterie à anode en silicium qui ne perd pas de capacité avec le cycle.

« Avec la compréhension du mécanisme sous-jacent, la prochaine étape est de produire une hypothèse scientifique, " dit Zhang. " Et puis nous allons tester cette hypothèse avec des anodes en silicium afin que nous puissions atténuer l'effet néfaste associé au changement de volume du silicium. En contrôlant l'actuel incontrôlable, nous pouvons concevoir une électrode en silicium avec de meilleures performances."

Avec Zhang, Les chercheurs de Penn State impliqués dans l'étude comprennent Tianwu Chen et Dingchuan Xue, étudiants diplômés en sciences de l'ingénieur et en mécanique. D'autres chercheurs comprennent, du Pacific Northwest National Laboratory, Yang He, Yaobin Xu, Chongmin Wang, Haiping Jia, Ran Yi, Miao Song, Xiaolin Li et Ji-Guang Zhang; de Thermo Fisher Scientific, Lin Jiang, Arda Genc, Cédric Bouchet-Marquis, Lee Pullan et Ted Tessner; et du Laboratoire national de Los Alamos, Jinkyoung Yoo.

Le ministère de l'Énergie et la National Science Foundation ont financé cette recherche.