in

Les ingénieurs créent une batterie tout solide haute performance avec une anode en silicium pur


Les ingénieurs ont créé un nouveau kind de batterie qui tisse deux sous-champs de batterie prometteurs en une seule batterie. La batterie utilise à la fois un électrolyte à l’état solide et une anode entièrement en silicium, ce qui en fait une batterie entièrement en silicium. Les premières séries de checks montrent que la nouvelle batterie est sûre, tough et dense en énergie. Il est prometteur pour un big éventail d’applications, du stockage en réseau aux véhicules électriques.

La technologie des batteries est décrite dans le numéro du 24 septembre 2021 de la revue Science. Des nano-ingénieurs de l’Université de Californie à San Diego ont dirigé la recherche, en collaboration avec des chercheurs de LG Electricity Resolution.

Les anodes en silicium sont réputées pour leur densité énergétique, qui est 10 fois supérieure à celle des anodes en graphite les in addition souvent utilisées dans les batteries lithium-ion commerciales d’aujourd’hui. D’autre part, les anodes en silicium sont tristement célèbres pour la façon dont elles se dilatent et se contractent lorsque la batterie se demand et se décharge, et pour la façon dont elles se dégradent avec les électrolytes liquides. Ces défis ont empêché les anodes entièrement en silicium des batteries lithium-ion commerciales malgré la densité énergétique alléchante. Les nouveaux travaux publiés dans Science offrent une voie prometteuse pour les anodes entièrement en silicium, grâce au bon électrolyte.

“Avec cette configuration de batterie, nous ouvrons un nouveau territoire pour les batteries à semi-conducteurs utilisant des anodes en alliage telles que le silicium”, a déclaré Darren H. S. Tan, l’auteur principal de l’article. Il a récemment terminé son doctorat en génie chimique à la UC San Diego Jacobs College of Engineering et a cofondé une startup UNIGRID Battery qui a autorisé cette technologie.

Les batteries à semi-conducteurs de nouvelle génération à haute densité énergétique ont toujours utilisé du lithium métallique comme anode. Mais cela impose des limitations sur les taux de charge de la batterie et la nécessité d’une température élevée (généralement 60 degrés Celsius ou as well as) pendant la demand. L’anode en silicium surmonte ces limits, permettant des taux de cost beaucoup moreover rapides à des températures ambiantes à basses, tout en maintenant des densités d’énergie élevées.

L’équipe a fait la démonstration d’une cellule complète à l’échelle du laboratoire qui offre 500 cycles de demand et de décharge avec une rétention de capacité de 80 % à température ambiante, ce qui représente un progrès passionnant pour les communautés des anodes en silicium et des batteries à semi-conducteurs.

Le silicium comme anode pour remplacer le graphite

Les anodes en silicium, bien sûr, ne sont pas nouvelles. Pendant des décennies, les scientifiques et les fabricants de batteries se sont tournés vers le silicium en tant que matériau à forte densité énergétique à mélanger ou remplacer complètement les anodes en graphite conventionnelles dans les batteries lithium-ion. Théoriquement, le silicium offre environ 10 fois la capacité de stockage du graphite. Dans la pratique, cependant, les batteries lithium-ion avec du silicium ajouté à l’anode pour augmenter la densité énergétique souffrent généralement de problèmes de performances réels  : en particulier, le nombre de fois que la batterie peut être chargée et déchargée tout en maintenant les performances n’est pas assez élevé.

Une grande partie du problème est causée par l’interaction entre les anodes en silicium et les électrolytes liquides avec lesquels elles ont été associées. La situation est compliquée par l’expansion volumique importante des particules de silicium pendant la charge et la décharge. Cela entraîne des pertes de capacité importantes au fil du temps.

“En tant que chercheurs sur les batteries, il est essentiel de résoudre les problèmes fondamentaux du système. Pour les anodes en silicium, nous savons que l’un des gros problèmes est l’instabilité de l’interface de l’électrolyte liquide”, a déclaré Shirley Meng, professeur de nano-ingénierie à l’UC San Diego, auteur correspondant sur le Posting scientifique et directeur de l’Institute for Resources Discovery and Layout de l’UC San Diego. “Nous avions besoin d’une approche totalement différente”, a déclaré Meng.

En effet, l’équipe dirigée par l’UC San Diego a adopté une approche différente  : elle a éliminé le carbone et les liants qui accompagnaient les anodes tout en silicium. De as well as, les chercheurs ont utilisé du micro-silicium, qui est moins traité et moins cher que le nano-silicium qui est in addition souvent utilisé.

Une solution tout solide

En as well as d’éliminer tout le carbone et les liants de l’anode, l’équipe a également retiré l’électrolyte liquide. Au lieu de cela, ils ont utilisé un électrolyte solide à base de sulfure. Leurs expériences ont montré que cet électrolyte solide est extrêmement stable dans les batteries avec des anodes tout en silicium.

“Ce nouveau travail offre une option prometteuse au problème de l’anode en silicium, bien qu’il y ait encore du travail à faire”, a déclaré le professeur Meng, “Je vois ce projet comme une validation de notre approche de la recherche sur les batteries ici à l’UC San Diego. Nous jumelons le travaux théoriques et expérimentaux les plus rigoureux avec créativité et réflexion hors des sentiers battus. Nous savons également comment interagir avec les partenaires de l’industrie tout en poursuivant des défis fondamentaux difficiles. ”

Les attempts passés pour commercialiser des anodes en alliage de silicium se concentrent principalement sur les composites silicium-graphite, ou sur la combinaison de particules nanostructurées avec des liants polymères. Mais ils luttent toujours avec une mauvaise stabilité.

En remplaçant l’électrolyte liquide par un électrolyte solide et en éliminant en même temps le carbone et les liants de l’anode en silicium, les chercheurs ont évité une série de défis connexes qui surviennent lorsque les anodes sont trempées dans l’électrolyte liquide organique pendant que la batterie fonctionne.

Dans le même temps, en éliminant le carbone dans l’anode, l’équipe a considérablement réduit le make contact with interfacial (et les réactions secondaires indésirables) avec l’électrolyte solide, évitant ainsi une perte de capacité go on qui se produit généralement avec les électrolytes liquides.

Cette démarche en deux get-togethers a permis aux chercheurs de profiter pleinement des propriétés du silicium à faible coût, à haute énergie et sans hazard pour l’environnement.

Commercialisation d’impact et de retombées

« L’approche du silicium à l’état solide surmonte de nombreuses constraints des batteries conventionnelles. Elle présente des opportunités intéressantes pour nous de répondre aux demandes du marché en matière d’énergie volumétrique in addition élevée, de coûts réduits et de batteries moreover sûres, en particulier pour le stockage d’énergie sur le réseau », a déclaré Darren HS Tan, le leading auteur. sur le papier Science.

Les électrolytes solides à base de sulfure étaient souvent considérés comme très instables. Cependant, cela était basé sur les interprétations thermodynamiques traditionnelles utilisées dans les systèmes à électrolyte liquide, qui ne tenaient pas compte de l’excellente stabilité cinétique des électrolytes solides. L’équipe a vu une opportunité d’utiliser cette propriété contre-intuitive pour créer une anode très steady.

Tan est le PDG et cofondateur d’une startup, UNIGRID Battery, qui a concédé sous licence la technologie de ces batteries au silicium à semi-conducteurs.

En parallèle, les travaux fondamentaux connexes se poursuivront à l’UCSan Diego, y compris une collaboration de recherche supplémentaire avec LG Power Solution.

« LG Vitality Alternative est ravi que les dernières recherches sur la technologie des batteries avec UC San Diego aient été publiées dans le journal of Science, une reconnaissance significative », a déclaré Myung-hwan Kim, président et directeur des achats chez LG Strength Solution. « Avec la dernière découverte, LG Vitality Resolution est beaucoup plus proche de la réalisation de strategies de batterie entièrement à semi-conducteurs, ce qui diversifierait considérablement notre gamme de produits de batterie. »

« En tant que fabricant leader de batteries, LGES poursuivra ses initiatives pour favoriser les strategies de pointe dans la recherche de pointe sur les cellules de batterie de nouvelle génération », a ajouté Kim. LG Electrical power Resolution a annoncé son intention d’étendre davantage sa collaboration de recherche sur les batteries à semi-conducteurs avec l’UC San Diego.

L’étude avait été soutenue par l’innovation ouverte de LG Power Alternative, un programme qui soutient activement la recherche liée aux batteries. LGES a travaillé avec des chercheurs du monde entier pour favoriser les procedures connexes.