Stockage sur batteries : un grand saut en avant pour les anodes en silicium
Les anodes en silicium, ces électrodes reliées au pôle positif d’une source de courant continu, offrent d’excellentes capacités de stockage pour les batteries lithium-ion, mais se dégradent en seulement quelques cycles de charge et décharge. Réunis au sein d'un International research laboratory (IRL), des chercheurs du Laboratoire nanotechnologies et nanosystèmes ont développé une nouvelle architecture d’anodes en silicium. Selon ces travaux publiés dans la revue Energy Storage Materials, elles stockent au moins trois fois plus d’énergie qu’espéré, et ce sur deux cents cycles au lieu de juste quelques-uns.
Entre les appareils électroniques portables, l’Internet des objets et les voitures électriques, les demandes en batteries à haute densité énergétique ne cessent d’augmenter. La technologie la plus mature, la batterie lithium-ion, repose sur des anodes en graphite dont les performances ne progressent plus assez pour y répondre. Les anodes en silicium offrent de leur côté un stockage d’énergie dix fois supérieur, à volume équivalent, mais elles gonflent tellement lors de la charge qu’elles dégradent la batterie en seulement quelques cycles. Grâce à une solide collaboration franco-québécoise, des chercheurs du Laboratoire nanotechnologies et nanosystèmes (LN2, CNRS/Centrale Lyon/INSA Lyon/Univ. Grenoble Alpes/Univ. Sherbrooke), de l’université de Sherbrooke (Canada), de l’Institut national de la recherche scientifique (INRS, Canada) et du laboratoire Matériaux ingénierie et science (MatéiS, CNRS/INSA Lyon/Univ. Claude Bernard) ont développé une nouvelle architecture d’anodes en silicium, qui atteignent l’état de l’art au niveau du stockage, et ce sans s’abîmer pendant au moins deux cents cycles de charge et décharge.
Les chercheurs ont réglé le problème du gonflement en utilisant du silicium poreux. La prise de volume pendant la charge s’opère alors vers l’intérieur, en réduisant la taille des pores, au lieu de faire gonfler tout le matériau. Cette structure entraîne cependant une accumulation irréversible de lithium dans les pores, qui affecte les performances de la batterie. Les chercheurs ont alors appliqué un traitement thermique qui forme une minuscule couche de surface en silicium massif, qui diminue la surface de contact avec l’électrolyte. Cette architecture présente par ailleurs des propriétés mécaniques originales, mais encore mal comprises. Cette structure en sandwich présente des performances de stockage de 9 mAh.cm-2 sur plus de deux cents cycles, soit trois fois le seuil considéré comme intéressant par les industriels. Sur un nombre de cycles restreints, ces anodes montent même jusqu’à 20 mAh.cm-2. Le tout avec des méthodes à bas coût, compatibles avec les procédés classiques de la microélectronique.
Ce procédé a été breveté et l’équipe explore à présent comment faire fonctionner ces anodes avec des électrolytes solides, plus sûrs que leurs équivalents liquides.
© Sofiane Abdelouhab et al.
Références
High-areal capacity Si architecture as an on-chip anode for lithium-ion batteries.
Sofiane Abdelouhab, Graniel Harne A. Abrenica, Alexandre Heitz, Sylvain Meille, Lionel Roué, Abderraouf Boucherif, Denis Machon.
Energy Storage Materials, Volume 65, 2024.
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.103172