De nouvelles recherches menées par l'Institut des sciences et technologies de l'Université d'Okinawa (OIST) ont permis d'identifier un élément de construction spécifique qui améliore l'anode des batteries lithium-ion.
Les propriétés uniques de la structure, qui a été construite à l'aide de la technologie des nanoparticules, sont révélées et expliquées aujourd'hui dans Communications Materials.
Puissantes, portables et rechargeables, les batteries lithium-ion sont des éléments essentiels de la technologie moderne, que l'on trouve dans les smartphones, les ordinateurs portables et les véhicules électriques. En 2019, leur potentiel à révolutionner la façon dont nous stockons et consommons l'énergie à l'avenir, alors que nous nous éloignons des combustibles fossiles, a notamment été reconnu, avec l'attribution du prix Nobel au nouveau membre du conseil d'administration de l'OIST, le Dr Akira Yoshino, pour son travail de développement de la batterie lithium-ion.
Traditionnellement, le graphite est utilisé pour l'anode d'une batterie lithium-ion, mais ce matériau de carbone présente des limites importantes.
"Lorsqu'une batterie est en cours de charge, les ions de lithium sont forcés de se déplacer d'un côté de la batterie - la cathode - à travers une solution d'électrolyte vers l'autre côté de la batterie - l'anode. Ensuite, lorsqu'une batterie est utilisée, les ions de lithium retournent dans la cathode et un courant électrique est libéré de la batterie", a expliqué le Dr Marta Haro, ancien chercheur de l'OIST et premier auteur de l'étude. "Mais dans les anodes en graphite, six atomes de carbone sont nécessaires pour stocker un ion de lithium, donc la densité énergétique de ces batteries est faible".
Alors que la science et l'industrie explorent actuellement l'utilisation de batteries au lithium-ion pour alimenter les véhicules électriques et les engins aérospatiaux, il est essentiel d'améliorer la densité énergétique. Les chercheurs recherchent maintenant de nouveaux matériaux qui peuvent augmenter le nombre d'ions de lithium stockés dans l'anode.
L'un des candidats les plus prometteurs est le silicium, qui peut lier quatre ions lithium pour chaque atome de silicium.
Dans la chambre 1, les nanoparticules, fabriquées à partir de tantale métallique, sont cultivées. Dans cette chambre, les atomes individuels de tantale s'agglutinent, comme pour la formation de gouttelettes de pluie. Dans la chambre 2, les nanoparticules sont filtrées en masse, éliminant celles qui sont trop grosses ou trop petites. Dans la chambre 3, une couche de nanoparticules est déposée. Cette couche est ensuite "pulvérisée" avec des atomes de silicium isolés, formant ainsi une couche de silicium. Ce processus peut ensuite être répété pour créer une structure multicouche. (Schéma créé par Pavel Puchenkov, OIST Scientific Computing & Data Analysis Section).
"Les anodes en silicium peuvent stocker dix fois plus de charge dans un volume donné que les anodes en graphite - un ordre de grandeur supérieur en termes de densité énergétique", a déclaré le Dr Haro. "Le problème est que, lorsque les ions de lithium se déplacent dans l'anode, le changement de volume est énorme, jusqu'à environ 400%, ce qui provoque la rupture de l'électrode".
La grande variation de volume empêche également la formation stable d'une couche protectrice entre l'électrolyte et l'anode. Chaque fois que la batterie est chargée, cette couche doit donc se reformer continuellement, ce qui épuise l'apport limité en ions lithium et réduit la durée de vie et la rechargeabilité de la batterie.
"Notre objectif était d'essayer de créer une anode plus robuste capable de résister à ces contraintes, qui puisse absorber autant de lithium que possible et assurer autant de cycles de charge que possible avant de se détériorer", a déclaré le Dr Grammatikopoulos, auteur principal de l'article. "Et l'approche que nous avons adoptée a été de construire une structure utilisant des nanoparticules".
Dans un précédent article, publié en 2017 dans Advanced Science, l'unité OIST Nanoparticules by Design, désormais dissoute, a développé une structure en couches ressemblant à un gâteau, où chaque couche de silicium était prise en sandwich entre des nanoparticules de tantale métallique. Cela a permis d'améliorer l'intégrité structurelle de l'anode de silicium, en évitant un gonflement excessif.
En expérimentant avec différentes épaisseurs de la couche de silicium pour voir comment elle affectait les propriétés élastiques du matériau, les chercheurs ont remarqué quelque chose d'étrange.
"Il y a eu un point à une épaisseur spécifique de la couche de silicium où les propriétés élastiques de la structure ont complètement changé", a déclaré Theo Bouloumis, un étudiant en doctorat de l'OIST qui menait cette expérience. "Le matériau est devenu progressivement plus rigide, mais il a ensuite rapidement perdu de sa rigidité lorsque l'épaisseur de la couche de silicium a encore augmenté. Nous avions quelques idées, mais à l'époque, nous ne connaissions pas la raison fondamentale de ce changement".
Ce nouvel article fournit enfin une explication à la soudaine augmentation de la rigidité à une épaisseur critique.
Grâce à des techniques de microscopie et des simulations informatiques au niveau atomique, les chercheurs ont montré que les atomes de silicium, lorsqu'ils sont déposés sur la couche de nanoparticules, ne forment pas un film uniforme et régulier. Au lieu de cela, ils forment des colonnes en forme de cônes inversés, qui deviennent de plus en plus larges à mesure que des atomes de silicium sont déposés. Finalement, les colonnes de silicium individuelles se touchent, formant une structure en voûte.
"La structure voûtée est solide, tout comme une arche est solide en génie civil", a déclaré le Dr Grammatikopoulos. "Le même concept s'applique, juste à l'échelle nanométrique."
Il est important de noter que l'augmentation de la résistance de la structure a également coïncidé avec l'amélioration des performances des batteries. Lorsque les scientifiques ont effectué des tests électrochimiques, ils ont constaté que la batterie au lithium-ion avait une capacité de charge accrue. La couche protectrice était également plus stable, ce qui signifie que la batterie pouvait supporter plus de cycles de charge.
Ces améliorations ne sont visibles qu'au moment précis où les colonnes se touchent. Avant que ce moment n'arrive, les piliers individuels sont bancals et ne peuvent donc pas assurer l'intégrité structurelle de l'anode. Et si le dépôt de silicium se poursuit après le contact des colonnes, il crée un film poreux avec de nombreux vides, ce qui entraîne un comportement faible, semblable à celui d'une éponge.
Cette révélation de la structure voûtée et de la manière dont elle acquiert ses propriétés uniques ne constitue pas seulement une avancée importante vers la commercialisation des anodes de silicium dans les batteries lithium-ion, mais a également de nombreuses autres applications potentielles dans les sciences des matériaux.
"La structure voûtée pourrait être utilisée lorsque l'on a besoin de matériaux solides et capables de résister à diverses contraintes, comme pour les bio-implants ou pour le stockage de l'hydrogène", a déclaré le Dr Grammatikopoulos. "Le type exact de matériau dont vous avez besoin - plus ou moins résistant, plus ou moins flexible - peut être fabriqué avec précision, simplement en changeant l'épaisseur de la couche. C'est la beauté des nanostructures".
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Cet article a été publié à l'origine par l'Institut des sciences et des technologies de l'Université d'Okinawa.
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