Plus forts ensemble : des électrodes imbriquées permettent de dépasser les limites de la durée de vie des piles au silicium
Concrètement, cela signifie que les véhicules électriques peuvent parcourir de plus grandes distances et que les smartphones peuvent fonctionner plus longtemps avec une batterie de même taille
Alors que la demande de batteries capables de stocker plus d'énergie et de durer plus longtemps - pour alimenter les véhicules électriques, les drones et les systèmes de stockage d'énergie - augmente, une équipe de chercheurs sud-coréens a introduit une approche révolutionnaire pour surmonter une limitation majeure des batteries lithium-ion conventionnelles (LIB) : les interfaces instables entre les électrodes et les électrolytes.
La plupart des appareils électroniques grand public d'aujourd'hui, tels que les smartphones et les ordinateurs portables, utilisent des batteries à base de graphite. Si le graphite offre une stabilité à long terme, sa capacité énergétique est insuffisante. Le silicium, en revanche, peut stocker près de dix fois plus d'ions lithium, ce qui en fait un matériau d'anode prometteur pour la prochaine génération. Toutefois, le principal inconvénient du silicium est son expansion et sa contraction volumétriques spectaculaires pendant la charge et la décharge, le silicium pouvant gonfler jusqu'à trois fois sa taille d'origine. Cette expansion et cette contraction répétées provoquent des écarts mécaniques entre l'électrode et l'électrolyte, ce qui dégrade rapidement les performances de la batterie.
Pour remédier à ce problème, les chercheurs ont envisagé de remplacer les électrolytes liquides par des électrolytes solides ou quasi-solides (QSSE), qui offrent une sécurité et une stabilité accrues. Cependant, les QSSE ont encore du mal à maintenir un contact total avec le silicium qui se dilate et se contracte, ce qui entraîne une séparation et une perte de performance au fil du temps.
Une équipe de chercheurs de POSTECH (Pohang University of Science and Technology) et de l'université de Sogang a mis au point un système d'électrodes et d'électrolytes imbriqués in situ (IEE) qui forme des liaisons chimiques covalentes entre l'électrode et l'électrolyte. Contrairement aux batteries conventionnelles dont les composants se touchent simplement, le système IEE les relie en une structure chimiquement enchevêtrée, comme des briques maintenues ensemble par du mortier durci, de sorte qu'elles restent étroitement connectées même en cas de contraintes mécaniques intenses.
Les tests de performance électrochimique ont montré une différence spectaculaire : alors que les batteries traditionnelles perdaient de la capacité après seulement quelques cycles de charge-décharge, celles utilisant la conception IEE conservaient une stabilité à long terme. Plus particulièrement, la cellule à poche basée sur l'IEE a démontré une densité énergétique de 403,7 Wh/kg et de 1300 Wh/L, ce qui représente une densité énergétique gravimétrique supérieure de plus de 60 % et une densité énergétique volumétrique près de deux fois supérieure à celle des piles à lithium-liquide commerciales typiques. Concrètement, cela signifie que les véhicules électriques peuvent parcourir de plus grandes distances et que les smartphones peuvent fonctionner plus longtemps avec une batterie de même taille.
"Cette étude offre une nouvelle orientation pour les systèmes de stockage d'énergie de la prochaine génération qui exigent simultanément une densité énergétique élevée et une durabilité à long terme", a déclaré le professeur Soojin Park de POSTECH, qui a codirigé l'étude. Le professeur Jaegeon Ryu de l'université de Sogang a ajouté : "La stratégie IEE est une technologie clé qui pourrait accélérer la commercialisation des batteries à base de silicium en améliorant considérablement la stabilité interfaciale."
Cette recherche a été menée par le professeur Soojin Park (département de chimie, POSTECH), le Dr Dong-Yeob Han, le Dr Im-Kyung Han (département de science des matériaux, POSTECH) et le professeur Jaegeon Ryu (département d'ingénierie chimique et biomoléculaire, université de Sogang). Les résultats ont été récemment publiés dans la revue Advanced Science, avec le soutien de l'Institut coréen de la science des matériaux et de l'Institut coréen pour l'avancement de la technologie.
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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