23.05.2022 - Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST)

Charger un avenir vert : Les dernières avancées en matière de batteries lithium-ion pourraient les rendre omniprésentes.

Des scientifiques ajoutent un composite polymère spécifique à l'anode en silicium des batteries lithium-ion, ce qui augmente considérablement leur durée de vie

Pensez à une batterie, et le terme lithium-ion vous vient très probablement à l'esprit. En raison de leur légèreté, de leur haute densité énergétique et de leur capacité à fournir trois fois plus de courant que les autres types de batteries rechargeables, les batteries lithium-ion (LIB) sont devenues le type de batterie dominant dans les appareils électroniques grand public de faible puissance, tels que les téléphones portables, et dans les applications de grande puissance, telles que les véhicules électriques et le stockage d'énergie.

Une batterie lithium-ion typique se compose aujourd'hui d'une électrode positive (cathode) constituée d'un composé contenant du lithium, d'une électrode négative (anode) constituée de graphite et d'un électrolyte - la couche entre les électrodes à travers laquelle circulent les ions. Lorsqu'une batterie est chargée, les ions de lithium passent de la cathode à l'anode, où ils sont stockés. Pendant le processus de décharge, le lithium est ionisé et retourne à la cathode.

Récemment, l'utilisation du silicium comme matériau d'anode a suscité un intérêt croissant car il est plus abondant, et donc bon marché, et possède une capacité de décharge théorique plus élevée que le graphite. Cependant, il présente un inconvénient majeur : les charges et décharges répétées provoquent l'expansion et la rupture des particules de silicium. Il en résulte la formation d'une interface solide-électrolyte (SEI) épaisse entre l'électrolyte et l'anode, qui entrave le mouvement des ions lithium entre les électrodes.

Afin d'améliorer les performances des anodes en silicium dans les batteries LIB, une équipe dirigée par le professeur Noriyoshi Matsumi et comprenant également le Dr Agman Gupta et le maître de conférences Rajashekar Badam, du Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), a mis au point un liant pour les particules de silicium, qui peut améliorer leur stabilité et maintenir une fine couche SEI. Or, contrairement à une couche SEI épaisse, une couche mince est bénéfique car elle empêche l'anode et l'électrolyte de réagir spontanément l'un avec l'autre. Les résultats de l'étude sont publiés dans ACS Applied Energy Materials.

Le liant est un composite polymère constitué d'un polymère conducteur de type n, le poly(bisiminoacénaphtènequinone) (P-BIAN), et d'un polymère contenant des carboxylates, le poly(acide acrylique) (PAA), chacun étant lié à l'autre par des liaisons hydrogène. La structure polymère composite maintient les particules de silicium ensemble comme un filet et les empêche de se rompre. Les liaisons hydrogène entre les deux polymères permettent à la structure de s'autoréparer, car les polymères peuvent se recoller s'ils se détachent à un moment quelconque. De plus, la capacité de dopage n du P-BIAN améliore la conductivité de l'anode et maintient un SEI mince en limitant la décomposition électrolytique de l'électrolyte sur l'anode.

Pour tester le liant, les chercheurs ont construit une demi-cellule anodique composée de nanoparticules de silicium avec du graphite (Si/C), du liant (P-BIAN/PAA) et d'un additif conducteur noir d'acétylène (AB). L'anode Si/C/(P-BIAN/PAA)/AB a été soumise à un cycle répété de charge-décharge. On a observé que le liant P-BIAN/PAA stabilisait l'anode de silicium et maintenait une capacité de décharge spécifique de 2100 mAh g-1 pendant plus de 600 cycles. En revanche, la capacité de l'anode silicium-carbone nue a chuté à 600 mAh g-1 en 90 cycles.

Après le test, les chercheurs ont démonté l'anode et examiné le matériau à la recherche d'éventuelles fissures qui auraient pu résulter de la rupture du silicium. Un examen spectroscopique et microscopique après 400 cycles a révélé une structure lisse avec seulement quelques microfissures, indiquant que l'ajout du liant a pu améliorer l'intégrité structurelle de l'électrode et maintenir un SEI uniforme.

Les résultats démontrent que l'ajout du liant peut améliorer les caractéristiques de l'anode de silicium et la rendre pratiquement réalisable. "La conception et l'application de nouveaux composites polymères comprenant des polymères conducteurs (CP) de type n et des polymères donneurs de protons avec des réseaux liés à l'hydrogène, comme le P-BIAN/PAA, ont un avenir prometteur pour les matériaux d'électrodes à haute capacité", déclare le professeur Matsumi.

Avec l'augmentation de la demande de batteries lithium-ion, le silicium, qui est le huitième matériau le plus abondant sur terre, sera une alternative écologique prometteuse au graphite. L'amélioration de sa stabilité structurelle et de sa conductivité grâce à l'utilisation de liants permettra de mieux l'utiliser dans les futures batteries lithium-ion. "Ce principe de conception de liant composite permettra une diffusion plus large des VE, la création d'autres véhicules à batterie et les drones, qui nécessitent une densité d'énergie plus élevée pour des performances avancées", explique le professeur Matsumi.

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

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