Le silicium est le deuxième élément le plus abondant sur terre. Il représente 27,7 % de la croûte terrestre. Outre sa capacité à créer des plages de sable et du verre transparent, le silicium offre également la possibilité de fabriquer des batteries à ions métalliques très efficaces.
Dans un monde où les dispositifs de stockage d’énergie alternatifs comme les batteries lithium-ion gagnent du terrain, il est nécessaire d’exploiter l’excellente capacité énergétique spécifique du silicium comme matériau d’électrode. L’application commerciale des matériaux d’électrode à base de silicium est souvent entravée par deux raisons principales : 1) le manque de stabilité mécanique résultant d’une expansion volumique incontrôlée lors de la lithiation, le processus de combinaison avec un lithium-ion, et 2) l’évanouissement rapide de l’énergie causé par la formation d’une interface solide-électrode (SEI) instable.
Au fil des ans, les scientifiques ont mis au point diverses électrodes négatives ou matériaux anodiques avancés à base de silicium pour surmonter les problèmes susmentionnés. Les plus importants d’entre eux sont les nanomatériaux de silicium. Cependant, les nanomatériaux de silicium présentent certains inconvénients, tels qu’un écart important entre l’offre et la demande, un processus de synthèse difficile et coûteux et, surtout, la menace d’un assèchement rapide des batteries.
Un groupe de chercheurs du Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) dirigé par le professeur Noriyoshi Matsumi propose une solution à ces problèmes de microparticules de silicium (SiMP). Dans leur étude publiée dans le Journal of Materials Chemistry
Le 18 juillet 2022, l’équipe* fait état d’une approche holistique pour synthétiser de nouvelles SiMP très résistantes constituées de verres noirs (oxycarbure de silicium) greffés de silicium comme matériau d’anode pour les batteries lithium-ion.
« Les nanoparticules de silicium pourraient fournir une surface effective accrue, mais cela s’accompagne de ses propres inconvénients, comme une consommation accrue d’électrolyte ainsi qu’une faible efficacité coulombienne initiale après quelques cycles de charge et de décharge. Les SiMP sont les alternatives les plus appropriées, les moins chères et les plus facilement disponibles, surtout lorsqu’elles sont associées à des matériaux qui présentent des propriétés structurelles exceptionnelles, comme les verres noirs d’oxycarbure de silicium. Notre matériau est non seulement très performant, mais il offre également des possibilités de mise à l’échelle« , a expliqué le professeur Matsumi lorsqu’il a été interrogé sur la raison d’être de cette étude.
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L’équipe a conçu un matériau de type cœur-coquille dont le cœur est constitué de SiMP enrobé d’une couche de carbone et sur lequel sont greffés des verres noirs d’oxycarbure de silicium comme couche d’enveloppe. Les matériaux préparés ont ensuite été utilisés dans une configuration de demi-cellule anodique pour tester leur capacité à stocker le lithium de manière réversible sous différentes fenêtres de potentiel. Ce test a montré que le matériau possède une grande capacité de diffusion du lithium, une résistance interne réduite et une expansion volumétrique globale.
Les propriétés électrochimiques supérieures de ce nouveau matériau ont été confirmées par la rétention de 99,4 % de la capacité énergétique, même après 775 cycles de charge et de décharge. En plus de ses capacités exceptionnelles de stockage d’énergie, le matériau a également fait preuve d’une grande stabilité mécanique tout au long du processus de test.
Les résultats indiquent clairement la supériorité des nouveaux matériaux d’anodes actives à base de SiMP. En effet, ces matériaux ont ouvert de nouvelles voies pour l’application du silicium dans les batteries lithium-ion secondaires de nouvelle génération. La capacité de mise à l’échelle de ce procédé de synthèse peut contribuer à combler le fossé entre la recherche en laboratoire et les applications industrielles dans le domaine du stockage de l’énergie. Ceci est particulièrement important pour la production de véhicules électriques à faible coût, qui peuvent réduire sensiblement les émissions de carbone.
Le professeur Matsumi souligne cette application significative de leur étude en déclarant : « Notre méthodologie offre une voie efficace pour le développement de matériaux d’anode à haute performance pour des batteries lithium-ion à haut rendement énergétique, ce qui est un élément essentiel pour créer un avenir durable et à faible émission de carbone. »
* L’équipe de recherche comprenait Ravi Nandan, un chercheur, Noriyuki Takamori, un étudiant en cours de doctorat, Koichi Higashimine, un spécialiste technique, et le Dr Rajashekar Badam, ancien maître de conférences au JAIST.
