Le silicium est un élément essentiel de la révolution numérique. Il achemine des quantités de signaux vers un appareil qui se trouve probablement à quelques centimètres de vos yeux en ce moment même.
Aujourd'hui, ce même matériau abondant et bon marché est en train de devenir un candidat sérieux pour jouer un rôle important dans le secteur florissant des batteries. Il est particulièrement intéressant car il est capable de retenir dix fois plus d'énergie dans une partie importante d'une batterie, l'anode, que le graphite largement utilisé.
Mais pas si vite.
Si le silicium a une excellente réputation auprès des scientifiques, le matériau lui-même gonfle lorsqu'il fait partie d'une batterie. Il gonfle tellement que l'anode s'écaille et se fissure, ce qui entraîne une perte de capacité de charge de la batterie, qui finit par tomber en panne.
L'équipe de recherche a utilisé un microscope électronique à transmission pour enregistrer l'action moléculaire à l'intérieur d'une batterie lithium-ion pendant sa charge et sa décharge. Ici, un scientifique du PNNL ajuste un échantillon. (Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory)
Les scientifiques ont maintenant observé le processus pour la première fois, une étape importante pour faire du silicium un choix viable qui pourrait améliorer le coût, les performances et la vitesse de charge des batteries pour les véhicules électriques ainsi que pour les téléphones cellulaires, les ordinateurs portables, les smartwatches et autres gadgets.
"De nombreuses personnes ont imaginé ce qui pourrait se passer, mais personne ne l'avait encore démontré", a déclaré Chongmin Wang, scientifique au Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) du ministère de l'énergie. Wang est l'un des auteurs correspondants de l'article récemment publié dans Nature Nanotechnology.
D'anodes en silicium, de tasses de beurre de cacahuètes et de passagers de compagnies aériennes emballés.
Les ions de lithium sont la monnaie d'échange de l'énergie dans une batterie lithium-ion. Ils font des allers-retours entre deux électrodes dans un liquide appelé électrolyte. Lorsque les ions de lithium pénètrent dans une anode en silicium, ils se frayent un chemin dans la structure ordonnée, poussant les atomes de silicium de travers, comme un solide passager d'avion se serrant dans le siège du milieu sur un vol bondé. Cette "pression de lithium" fait gonfler l'anode jusqu'à trois ou quatre fois sa taille initiale.
Lorsque les ions lithium partent, les choses ne reviennent pas à la normale. Il reste des espaces vides, appelés vacuités. Les atomes de silicium déplacés remplissent la plupart des espaces vides, mais pas tous, comme des passagers qui reprennent rapidement l'espace vide lorsque le passager du milieu se dirige vers les toilettes. Mais les ions de lithium reviennent et se frayent un chemin à nouveau. Le processus se répète alors que les ions lithium vont et viennent entre l'anode et la cathode, et que les espaces vides de l'anode en silicium fusionnent pour former des vides ou des lacunes. Ces vides se traduisent par une défaillance de la batterie.
Les scientifiques connaissent ce processus depuis des années, mais ils n'avaient pas encore observé précisément comment il entraîne la défaillance des batteries. Certains ont attribué la défaillance à la perte de silicium et de lithium. D'autres ont mis en cause l'épaississement d'un composant clé connu sous le nom d'interphase solide-électrolyte ou SEI. La SEI est une structure délicate située au bord de l'anode qui constitue une passerelle importante entre l'anode et l'électrolyte liquide.
Au cours de ses expériences, l'équipe a observé les vides laissés par les ions lithium dans l'anode en silicium, qui se transformaient en espaces de plus en plus grands. Ils ont ensuite observé l'électrolyte liquide s'écouler dans les vides comme de minuscules ruisseaux le long d'un rivage, s'infiltrant dans le silicium. Cet afflux a permis à la SEI de se développer dans des zones du silicium où elle ne devrait pas être, un envahisseur moléculaire dans une partie de la batterie où il n'a pas sa place.
Cela a créé des zones mortes, détruisant la capacité du silicium à stocker le lithium et ruinant l'anode.
Pensez à une tasse de beurre de cacahuète dans sa forme la plus pure : Le chocolat à l'extérieur est distinct du beurre de cacahuète mou à l'intérieur. Mais si vous la tenez trop longtemps dans votre main en la serrant trop fort, l'enveloppe extérieure se ramollit et se mélange au chocolat mou à l'intérieur. Vous vous retrouvez avec une seule masse désordonnée dont la structure est modifiée de manière irréversible. Vous n'avez plus de véritable tasse au beurre de cacahuète. De même, une fois que l'électrolyte et le SEI ont infiltré le silicium, les scientifiques n'ont plus d'anode utilisable.
L'équipe a constaté que ce processus commençait immédiatement après un seul cycle de la batterie. Après 36 cycles, la capacité de la batterie à maintenir une charge avait chuté de façon spectaculaire. Après 100 cycles, l'anode était détruite.
Explorer les promesses des anodes en silicium
Les scientifiques travaillent sur des moyens de protéger le silicium de l'électrolyte. Plusieurs groupes, dont les scientifiques du PNNL, développent des revêtements conçus pour agir comme des gardiens, permettant aux ions de lithium d'entrer et de sortir de l'anode tout en arrêtant les autres composants de l'électrolyte.
Des scientifiques de plusieurs institutions ont mis en commun leur expertise pour réaliser ce travail. Les scientifiques du Los Alamos National Laboratory ont créé les nanofils de silicium utilisés dans l'étude. Les scientifiques du PNNL ont collaboré avec leurs homologues de Thermo Fisher Scientific pour modifier un microscope électronique à transmission cryogénique afin de réduire les dommages causés par les électrons utilisés pour l'imagerie. Et les scientifiques de la Penn State University ont développé un algorithme pour simuler l'action moléculaire entre le liquide et le silicium.
Au total, l'équipe a utilisé des électrons pour réaliser des images à ultra-haute résolution du processus, puis a reconstruit les images en 3D, de la même manière que les médecins créent une image en 3D d'un membre ou d'un organe d'un patient.
"Ce travail offre une feuille de route claire pour développer le silicium comme anode pour une batterie à haute capacité", a déclaré Wang.
Au PNNL, ces travaux s'inscrivent dans le cadre d'un vaste programme de recherche sur les anodes en silicium, y compris les matériaux originaux comme les revêtements, les nouvelles méthodes de fabrication des dispositifs et un nouvel électrolyte qui augmente la durée de vie des batteries.
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Cet article a été initialement publié par DOE/Pacific Northwest National Laboratory.
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