Les anodes en silicium participent à la technologie des batteries


Les anodes en silicium participent à la technologie des batteries

Une anode en silicium pratiquement intacte après un cycle, le silicium (en ) étant clairement séparé d’un composant de la intermédiaire de l’électrolyte solide (le fluor, en rouge). Crédit photo : Chongmin Wang | Laboratoire national du -ouest du Pacifique

Élément de base de la révolution numérique, le silicium transmet de nombreux signaux sur un appareil qui, en ce moment, n’est probablement qu’à quelques centimètres de vos yeux.

Maintenant, ce même matériau abondant et bon marché devient un candidat sérieux pour un rôle important dans le secteur en plein essor batteries. Il est particulièrement attractif car il peut stocker dix fois plus d’énergie que le graphite ordinaire dans une partie importante d’une batterie, l’anode.

Mais pas si vite. Alors que le silicium a une bonne réputation parmi les scientifiques, le matériau lui-même gonfle lorsqu’il fait partie d’une batterie. Il gonfle tellement que l’anode s’écaille et se fissure, ce qui fait que la batterie perd sa capacité à maintenir une charge et finit par tomber en panne.

Maintenant, les scientifiques ont vu le processus pour la première fois, une étape importante pour faire du silicium un choix viable qui pourrait améliorer le coût, les performances et la vitesse de charge des batteries des véhicules électriques, ainsi que des téléphones portables, ordinateurs portables, montres intelligentes et autres dispositifs.

« Beaucoup de gens ont imaginé ce qui pourrait arriver, mais personne ne l’avait réellement démontré auparavant », a déclaré Chongmin Wang, scientifique au Pacific Northwest National Laboratory du ministère de l’Énergie. Wang est l’auteur correspondant du récent in. article publié Nanotechnologie naturelle.

Des en silicone, des tasses de beurre de cacahuète et des passagers emballés

Les ions lithium sont la devise énergétique d’une batterie lithium-ion qui va et vient entre deux électrodes à travers un liquide appelé électrolyte. Si les ions lithium pénètrent dans une anode en silicium, ils se frayent un chemin dans la structure ordonnée et poussent les atomes de silicium de travers, comme un passager trapu qui se serre dans le siège du milieu lors d’un vol bondé. Cette « compression du lithium » fait gonfler l’anode jusqu’à trois ou quatre fois sa taille d’origine.

Si les ions lithium disparaissent, les choses ne reviendront pas à la normale. Il reste des postes vacants, ce qu’on appelle des postes vacants. Les atomes de silicium déplacés remplissent de nombreux endroits, mais pas tous, comme les passagers qui reprennent rapidement l’espace lorsque le passager du milieu se rend aux toilettes. Mais les ions lithium reviennent et envahissent à nouveau. Le processus se répète lorsque les ions lithium glissent d’avant en arrière entre l’anode et la cathode et que les espaces vides de l’anode en silicium fusionnent pour former des cavités ou des espaces. Ces lacunes conduisent à une panne de la batterie.

Les scientifiques connaissent le processus depuis des années, mais ils n’avaient pas encore vu exactement comment cela conduit à une défaillance de la batterie. Certains ont attribué l’échec à la perte de silicium et de lithium. D’autres blâment l’épaississement d’un composant clé connu sous le nom d’interphase d’électrolyte solide, ou SEI. Le SEI est une structure délicate sur le bord de l’anode qui représente une transition importante entre l’anode et l’électrolyte liquide.

Dans leurs expériences, l’équipe a observé comment les vides laissés par les ions lithium dans l’anode de silicium se sont développés en des espaces de plus en plus grands. Puis ils ont regardé l’électrolyte liquide s’écouler comme de petits ruisseaux le long d’un littoral dans les interstices et s’infiltrer dans le silicium. Cet afflux a permis au SEI d’évoluer dans des zones du silicium où il ne devrait pas être, un intrus moléculaire dans une partie de la batterie où il n’appartient pas.

Cela a créé des zones mortes qui ont détruit la capacité du silicium à stocker le lithium et ruiné l’anode.

Imaginez une tasse de beurre de cacahuète à la forme impeccable : le chocolat à l’extérieur est différent du beurre de cacahuète mou à l’intérieur. Cependant, si vous le tenez trop fermement dans votre main pendant trop longtemps, l’enveloppe extérieure devient molle et se mélange avec le chocolat mou à l’intérieur. Ils ont une seule masse désordonnée, dont la structure est irréversiblement modifiée. Vous n’avez plus une vraie tasse de beurre de cacahuète. Après que l’électrolyte et le SEI se soient infiltrés dans le silicium, les scientifiques n’ont plus non plus d’anode fonctionnelle.

Les anodes en silicium participent à la technologie des batteries

Une anode en silicium après 100 cycles : L’anode est à peine reconnaissable en tant que structure en silicium et est plutôt un mélange de silicium (vert) et de fluor (rouge) de la phase intermédiaire d’électrolyte solide. Crédit photo : Chongmin Wang | Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique

L’équipe a observé ce processus commencer immédiatement après un seul cycle de batterie. Après 36 cycles, la capacité de la batterie à maintenir une charge avait considérablement diminué. Après 100 cycles, l’anode était détruite.

Explorez la promesse des anodes en silicium

Les scientifiques travaillent à protéger le silicium de l’électrolyte. Plusieurs groupes, dont des scientifiques du PNNL, développent des revêtements conçus pour agir comme des gardiens qui permettent aux ions lithium d’entrer et de sortir de l’anode tandis que d’autres composants de l’électrolyte sont arrêtés.

Des scientifiques de plusieurs institutions ont mis leur expertise en commun pour ce travail. Des scientifiques du Laboratoire national de Los Alamos ont développé les nanofils de silicium utilisés dans l’étude. Les scientifiques du PNNL ont travaillé avec des collègues de Thermo Fisher Scientific pour modifier un microscope électronique à transmission cryogénique afin de réduire les dommages causés par les électrons utilisés pour l’imagerie. Et les scientifiques de la Penn State University ont développé un algorithme pour simuler l’effet moléculaire entre le liquide et le silicium.

Dans l’ensemble, l’équipe a utilisé des électrons pour créer des images ultra-haute résolution du processus, puis a reconstruit les images en 3D, un peu comme les médecins créent une image 3D d’un membre ou d’un organe d’un patient.

« Ce travail fournit une feuille de route claire pour le développement du silicium en tant qu’anode pour une batterie haute capacité », a déclaré Wang.


Une nouvelle façon de cartographier la dégradation des anodes en silicium peut conduire à de meilleures batteries


Plus d’information:
Chongmin Wang et al., La croissance progressive de la phase intermédiaire d’électrolyte solide vers l’intérieur des anodes en Si provoque une perte de capacité, Nanotechnologie naturelle (2021). DOI : 10.1038 / s41565-021-00947-8

Fourni par le Pacific Northwest National Laboratory

Citation: Les anodes en silicium participent à la technologie des batteries (2021, 5 octobre), consulté le 5 octobre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-10-silicon-anodes-muscle-battery-technology.html

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