{{{sourceTextContent.title}}}

Les anodes de silicium ont pu amplifier la capacité de batterie lithium-ion

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

La capacité de batteries lithium-ion pourrait être augmentée jusqu'à six fois à l'aide des anodes faites de silicium au lieu du graphite, la nouvelle recherche suggère.

{{{sourceTextContent.description}}}

Les batteries lithium-ion fournissent à des ordinateurs portables, à des téléphones intelligents et à des tablettes l'énergie. Cependant, leur capacité quand il s'agit d'applications telles que des véhicules électriques peut être limitée parce que les matériaux d'électrode tels que le graphite peuvent adsorber stablement seulement un nombre limité d'ions de lithium.

Les matériaux de semi-conducteur tels que le silicium suscitent l'attention en tant qu'électrodes alternatives pour des batteries au lithium. Cependant, alors que le silicium en vrac peut absorber de grandes quantités de lithium, la migration des ions de lithium détruit la structure cristalline du silicium. Ceci peut gonfler le volume par un facteur de trois, qui mène aux efforts mécaniques importants.

Une équipe de l'institut de Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) de la matière molle et des matériaux fonctionnels a observé en détail comment les ions de lithium émigrent dans les couches minces du silicium. Par des mesures de neutron, l'équipe a démontré que les ions de lithium ne pénètrent pas profondément dans le silicium. Pendant le cycle de charge, des 20 couches d'anode de nanomètre développent contenir une proportion élevée de la lithium-signification qu'extrêmement les couches minces de silicium seraient suffisantes pour réaliser la charge maximale du lithium.

Les ions de lithium émigrent par l'électrolyte dans la couche de silicium cristallin. Crédit d'image : HZB.

Les ions de lithium émigrent par l'électrolyte dans la couche de silicium cristallin. Crédit d'image : HZB.

« Nous pouvions dépister avec précision où les ions de lithium adsorbent dans l'électrode de silicium suivre des méthodes de réflectométrie de neutron, et aussi comment ils rapides se déplaçaient, » dit Dr. Beatrix-Kamelia Seidlhofer, qui a effectué les expériences.

Elle a découvert deux zones différentes pendant ses investigations. Près de la frontière des électrolytes, des approximativement 20 couches de nanomètre ont formé que contenu élevé eu de lithium : 25 atomes de lithium ont été logés parmi 10 atomes de silicium. Une deuxième couche adjacente a contenu un atome de lithium pour 10 atomes de silicium. Les deux couches étaient ensemble moins de 100 nanomètre profondément après le deuxième cycle de remplissage.

Après décharge, approximativement un ion de lithium par noeud de silicium dans l'électrode est resté dans la couche limite de silicium exposée aux électrolytes. Les chercheurs ont calculé que la capacité maximale théorique de ces types de batteries de silicium-lithium se trouve à environ 2300 mAh/g, qui est plus de six fois la capacité possible maximum théorique pour une batterie lithium-ion construite avec le graphite (372 mAh/g).

Les chercheurs disent que leurs résultats pourraient améliorer la conception des électrodes de silicium. Les films très minces de silicium devraient être suffisants pour adsorber la quantité possible maximum de lithium, qui à leur tour économiserait sur le matériel et l'énergie consommés pendant la fabrication.