Le même matériau que vous trouverez à la pointe d’un crayon – le graphite – est depuis longtemps un élément clé des batteries lithium-ion d’aujourd’hui. Cependant, à mesure que notre dépendance à l’égard de ces batteries augmente, les électrodes à base de graphite doivent être mises à niveau. Pour cela, les scientifiques se tournent vers l’élément au cœur de la révolution numérique: le silicium.



Les scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory du département américain de l’Énergie ont trouvé une nouvelle façon d’utiliser cet ingrédient de stockage d’énergie prometteur mais problématique. Le silicium, utilisé dans les puces informatiques et de nombreux autres produits, est attrayant car il peut contenir 10 fois la charge électrique par gramme par rapport au graphite. Le problème est que le silicium se dilate considérablement lorsqu’il rencontre le lithium et qu’il est trop faible pour résister à la pression de fabrication des électrodes.

Pour résoudre ces problèmes, une équipe dirigée par les chercheurs du PNNL Ji-Guang (Jason) Zhang et Xiaolin Li a développé une nanostructure unique qui limite l’expansion du silicium tout en le fortifiant en carbone. Leurs travaux, récemment publiés dans la revue Nature Communications, pourraient éclairer de nouvelles conceptions de matériaux d’électrodes pour d’autres types de batteries et, à terme, aider à augmenter la capacité énergétique des batteries lithium-ion des voitures électriques, des appareils électroniques et d’autres équipements.



Sortir les inconvénients du silicium

Une forme conductrice et stable de carbone, le graphite est bien adapté pour emballer les ions lithium dans l’anode d’une batterie pendant qu’elle se charge. Le silicium peut absorber plus de lithium que le graphite, mais il a tendance à gonfler d’environ 300% en volume, provoquant la rupture de l’anode. Les chercheurs ont créé une forme poreuse de silicium en agrégeant de petites particules de silicium en microsphères d’environ 8 micromètres de diamètre – environ la taille d’un globule rouge.

« Un matériau solide comme la pierre, par exemple, se brisera s’il se dilate trop en volume », a déclaré Zhang. « Ce que nous avons créé ressemble plus à une éponge, où il y a de l’espace à l’intérieur pour absorber l’expansion. »

L’étude a révélé que l’électrode à structure poreuse en silicium présente un changement d’épaisseur inférieur à 20% tout en accueillant deux fois la charge d’une anode en graphite typique. Cependant, contrairement aux versions précédentes de silicium poreux, les microsphères présentaient également une résistance mécanique extraordinaire, grâce à des nanotubes de carbone qui font ressembler les sphères à des boules de fil.

Microsphères super fortes

Les chercheurs ont créé la structure en plusieurs étapes, en commençant par recouvrir les nanotubes de carbone d’oxyde de silicium. Ensuite, les nanotubes ont été placés dans une émulsion d’huile et d’eau. Ensuite, ils ont été chauffés à ébullition.

« Les nanotubes de carbone enrobés se condensent en sphères lorsque l’eau s’évapore », a expliqué Li. « Ensuite, nous avons utilisé de l’aluminium et une chaleur plus élevée pour convertir l’oxyde de silicium en silicium, suivi d’une immersion dans l’eau et l’acide pour éliminer les sous-produits. » Ce qui émerge du processus est une poudre composée de minuscules particules de silicium à la surface des nanotubes de carbone.

La force des sphères de silicium poreux a été testée à l’aide de la sonde d’un microscope à force atomique. Les auteurs ont découvert que l’une des boules de fil nanoscopiques « peut céder légèrement et perdre une certaine porosité sous une force de compression très élevée, mais elle ne se cassera pas ».

Cela est de bon augure pour la commercialisation, car les matériaux d’anode doivent pouvoir supporter une compression élevée dans les rouleaux pendant la fabrication. La prochaine étape, a déclaré Zhang, consiste à développer des méthodes plus évolutives et économiques pour fabriquer les microsphères de silicium afin qu’elles puissent un jour faire leur chemin dans la prochaine génération de batteries lithium-ion haute performance.