Des chercheurs chinois ont mis au point des anodes en silicium micro-dimensionnées à faible coût à partir de déchets photovoltaïques recyclés, en utilisant une conception d’électrolyte novatrice.
Leur travail qui propose une solution pour des batteries à haute densité énergétique, abordables et durables pourraient transformer les systèmes de stockage d’énergie pour les véhicules électriques et les applications d’énergie renouvelable.
Les anodes en silicium sont prisées pour leur capacité à augmenter considérablement la densité énergétique des batteries lithium-ion par rapport aux anodes en graphite traditionnelles. Elles sont par contre freinées par une expansion volumique significative lors des cycles de charge-décharge, pouvant provoquer des fractures mécaniques et dégrader les performances des batteries.
Une innovation pour surmonter les défis
Pour surmonter ces obstacles, les chercheurs, dirigés par le Professeur CUI Guanglei, de l’Institut de bioénergie et de technologie des bioprocédés de Qingdao (QIBEBT) de l’Académie chinoise des sciences ont utilisé des particules de silicium micro-dimensionnées (μm-Si) dérivées de déchets photovoltaïques comme alternative viable.
Intégrées à un électrolyte à base d’éther spécialement conçu, ces anodes en μm-Si montrent une stabilité électrochimique remarquable, maintenant une efficacité coulombique moyenne de 99,94 % et conservant 83,13 % de leur capacité initiale après 200 cycles.
Le succès des anodes réside dans leur chimie unique de l’interface solide-électrolyte (SEI), résultant de la composition innovante de l’électrolyte de l’équipe : 3 M LiPF6 dissous dans un rapport volumique de 1:3 de 1,3-dioxane et 1,2-diéthoxyéthane. Cette formulation favorise le développement d’une SEI à double couche, flexible mais robuste, maintenant ensemble les particules de silicium fracturées tout en améliorant la conduction ionique et en minimisant les réactions secondaires.
Des performances impressionnantes
Les cellules de type NCM811||μm-Si avec la nouvelle combinaison d’anode et d’électrolyte ont survécu à 80 cycles et ont délivré une densité énergétique impressionnante de 340,7 Wh kg-1 dans des conditions difficiles. Cette performance représente une amélioration significative par rapport aux batteries lithium-ion conventionnelles, qui approchent de leurs limites de densité énergétique.
Dr. DONG Tiantian, autre co-premier auteur de l’étude, a souligné les bénéfices environnementaux : «le sourcing durable du silicium à partir de panneaux solaires usagés atténue les impacts économiques et environnementaux des déchets photovoltaïques. Convertir les déchets en composants de batterie précieux réduit significativement le coût des batteries lithium-ion et augmente leur accessibilité.»
Un avenir rempli de promesses
«En utilisant des matériaux recyclés et une ingénierie chimique avancée, nous avons démontré que des batteries lithium-ion performantes et durables sur le plan environnemental sont non seulement possibles, mais aussi à portée de main,» a déclaré le Professeur CUI, optimiste quant au fait que cette recherche mènera au développement de batteries de nouvelle génération capables d’alimenter tout, des véhicules électriques aux systèmes de stockage d’énergie à grande échelle.
Cette approche exemplifie comment le recyclage innovant et la science des matériaux méticuleuse peuvent converger pour résoudre certains des défis les plus pressants de la technologie énergétique contemporaine.
Article : « Recycled micro-sized silicon anode for high-voltage lithium-ion batteries » – DOI: 10.1038/s41893-024-01393-9
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