Comment le silicium peut améliorer les performances des piles à l'état solide
Des chercheurs allemands et canadiens analysent le potentiel du silicium comme matériau d'électrode alternatif
Des batteries de haute performance sont nécessaires pour un large éventail d'applications et la demande croît rapidement. C'est pourquoi la recherche et le développement de systèmes de stockage d'énergie électrochimique, y compris pour l'électromobilité, est l'un des domaines de travail les plus importants de la science des matériaux dans le monde. L'accent est mis non seulement sur les capacités et les vitesses de charge des batteries, mais aussi sur la durée de vie, la sécurité, la disponibilité des matières premières et le bilan CO2. Dans ce contexte, les chimistes Hanyu Huo et Jürgen Janek (tous deux de l'université Justus Liebig de Giessen), la physicienne Kerstin Volz (université de Marburg), le spécialiste des matériaux Dierk Raabe (Max Planck Institute for Iron Research, Düsseldorf) et le spécialiste théorique des matériaux Chandra Veer Singh (université de Toronto, Canada) et leurs équipes ont étudié les propriétés des anodes en silicium dans les piles à l'état solide. Ils sont arrivés à la conclusion que ces anodes ont un grand potentiel pour améliorer les performances de ces batteries. Leurs conclusions sur la stabilité, la chimiomécanique et le comportement au vieillissement des électrodes en silicium viennent d'être publiées dans la revue "Nature Materials".
Pour ses recherches, l'équipe de chercheurs a combiné diverses méthodes expérimentales et théoriques afin d'évaluer quantitativement le transport du lithium dans l'électrode, la forte variation mécanique du volume du silicium au cours des processus de charge et de décharge et la réaction avec l'électrolyte solide. "Cette analyse complète et fondamentale constitue une étape importante vers l'utilisation possible du silicium comme matériau d'électrode dans les batteries à l'état solide, qui fait actuellement l'objet de recherches internationales intensives", déclare le professeur Janek, l'un des auteurs de l'étude.
La batterie à l'état solide est un concept avancé de la batterie lithium-ion, qui fonctionne actuellement avec un électrolyte organique liquide. L'objectif ultime est d'utiliser un électrolyte solide, qui promet des propriétés de stockage encore meilleures, une durée de vie plus longue et une sécurité accrue. Le développement de batteries à l'état solide fait l'objet de recherches intensives dans le monde entier depuis une dizaine d'années, et l'équipe de Giessen dirigée par le professeur Jürgen Janek est l'un des principaux groupes universitaires dans ce domaine.
Au cours du processus de charge d'une batterie, le lithium est absorbé par l'électrode négative, l'anode. "Le silicium de l'anode de la batterie se dilate alors de plusieurs centaines de pour cent, ce qui entraîne des problèmes mécaniques considérables dans une batterie à l'état solide", explique le professeur Janek. "En outre, les électrolytes solides favorisés réagissent avec le lithium stocké, ce qui entraîne également des pertes de capacité. Notre travail récemment publié évalue ces aspects quantitativement et en détail pour la première fois".
Dans le cadre du développement de batteries à l'état solide plus puissantes, capables de concurrencer les batteries lithium-ion conventionnelles, l'anode devrait être constituée d'un matériau ayant une capacité de stockage particulièrement élevée - idéalement un lithium métal. Toutefois, cette solution comporte un risque de court-circuit interne dans les conditions d'utilisation, c'est pourquoi le silicium est étudié comme alternative avec une capacité de stockage aussi élevée. "Nos résultats montrent que l'anode en silicium présente un potentiel considérable pour les batteries à l'état solide, qui pourrait être exploité en adaptant intelligemment les interfaces de la batterie", explique le professeur Janek. D'autres concepts de matériaux sont nécessaires pour surmonter le vieillissement chimique et chimiomécanique des anodes en silicium. Un élément de cette solution pourrait être une couche intermédiaire en polymère, comme l'équipe de recherche allemande et canadienne a déjà pu le démontrer.
Les professeurs Janek et Volz collaborent étroitement depuis plusieurs années à la recherche de nouveaux matériaux pour les batteries. Le travail qui vient d'être publié a nécessité l'utilisation de méthodes théoriques supplémentaires disponibles au MPI pour la recherche sur les métaux dans le département du professeur Raabe (simulations chimico-mécaniques du champ de phase) et dans le groupe de travail du professeur Singh à l'université de Toronto (calculs DFT).
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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