Les anodes en silicium s’appuient sur la technologie des batteries

Le silicium est un élément de base de la révolution numérique, déviant des charges de signaux sur un appareil qui se trouve probablement à quelques centimètres de vos yeux en ce moment même.

Maintenant, ce même matériau abondant et bon marché devient un candidat sérieux pour un rôle important dans le secteur en plein essor des batteries. Il est particulièrement attrayant car il est capable de contenir 10 fois plus d’énergie dans une partie importante d’une batterie, l’anode, que le graphite largement utilisé.

Mais pas si vite. Alors que le silicium a une bonne réputation parmi les 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 fait que la batterie perd sa capacité à maintenir une charge et finit par tomber en panne.

Aujourd’hui, les scientifiques ont été témoins du 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 des véhicules électriques ainsi que des téléphones portables, ordinateurs portables, montres intelligentes et autres gadgets.

« Beaucoup de gens ont imaginé ce qui pourrait se passer, mais personne ne l’avait réellement démontré auparavant », a déclaré Chongmin Wang, scientifique au Pacific Northwest National Laboratory du ministère de l’Énergie. Wang est l’auteur correspondant de l’article récemment publié dans Nature Nanotechnologie.

Des anodes en silicone, des gobelets au beurre de cacahuète et des passagers aériens emballés

Les ions lithium sont la devise énergétique d’une batterie lithium-ion, faisant des allers-retours entre deux électrodes à travers un liquide appelé électrolyte. Lorsque les ions 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 gros passager d’avion se pressant dans le siège central d’un vol bondé. Cette « compression du lithium » fait gonfler l’anode jusqu’à trois ou quatre fois sa taille d’origine.

Lorsque les ions lithium partent, les choses ne reviennent pas à la normale. Des espaces vides appelés postes vacants demeurent. Des atomes de silicium déplacés remplissent de nombreux postes vacants, mais pas tous, comme les passagers reprenant rapidement l’espace vide lorsque le passager du milieu se dirige vers les toilettes. Mais les ions lithium reviennent, poussant à nouveau leur chemin. Le processus se répète lorsque les ions lithium se déplacent entre l’anode et la cathode, et les espaces vides dans l’anode en silicium fusionnent pour former des vides ou des espaces. Ces lacunes se traduisent par une défaillance de la batterie.

Les scientifiques connaissent le processus depuis des années, mais ils n’avaient pas encore vu précisément comment cela entraîne une défaillance de la batterie. Certains ont attribué l’échec à la perte de silicium et de lithium. D’autres ont blâmé l’épaississement d’un composant clé connu sous le nom d’interphase à électrolyte solide ou SEI. Le SEI est une structure délicate au bord de l’anode qui est une passerelle importante entre l’anode et l’électrolyte liquide.

Dans ses expériences, l’équipe a observé que les lacunes laissées par les ions lithium dans l’anode de silicium se sont transformées en espaces de plus en plus grands. Puis ils ont regardé l’électrolyte liquide s’écouler dans les interstices comme de minuscules ruisseaux le long d’un rivage, s’infiltrant dans le silicium. Cet afflux a permis au SEI de se développer dans des zones du silicium où il ne devrait pas être, un envahisseur moléculaire dans une partie de la batterie où il n’appartient pas.

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 de forme immaculée : le chocolat à l’extérieur est distinct du beurre de cacahuète doux à l’intérieur. Mais si vous le tenez dans votre main trop longtemps avec une prise trop serrée, l’enveloppe extérieure se ramollit et se mélange avec le 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 une vraie tasse de beurre de cacahuète. De même, après que l’électrolyte et le SEI se soient infiltrés dans le silicium, les scientifiques n’ont plus d’anode utilisable.

L’équipe a vu ce processus commencer immédiatement après un seul cycle de batterie. Après 36 cycles, la capacité de la batterie à maintenir une charge avait considérablement diminué. Après 100 cycles, l’anode était ruinée.

Explorer la promesse des anodes en silicium

Les scientifiques travaillent sur des moyens de protéger le silicium de l’électrolyte. Plusieurs groupes, y compris des scientifiques du PNNL, développent des revêtements conçus pour agir comme des gardiens, permettant aux ions lithium d’entrer et de sortir de l’anode tout en arrêtant d’autres composants de l’électrolyte.

Des scientifiques de plusieurs institutions ont mis leur expertise en commun pour faire le travail. Les scientifiques du Laboratoire national de Los Alamos 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 créer des images 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 le développement du silicium comme anode pour une batterie haute capacité », a déclaré Wang.