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Batteries au lithium super chargées
Les batteries au lithium existantes peuvent permettre aux véhicules électriques alimentés par batterie de parcourir des centaines de kilomètres avec une charge, provoquant une course parmi les principaux constructeurs automobiles pour démontrer que les batteries sont suffisamment sûres et durables pour une commercialisation de masse. Les développeurs de batteries, quant à eux, continuent de pousser les performances du lithium. Le mois dernier, les scientifiques des matériaux de l'Université de Stanford ont dévoilé une électrode à nanofils qui pourrait plus que tripler la capacité de stockage d'énergie des batteries au lithium et améliorer leur sécurité.
Nanofils gonflants : Lors de la charge avec des ions lithium, ces nanofils de silicium gonflent de 89 nanomètres de large (en haut) à 141 nanomètres de large et s'allongent (en bas); elles peuvent accueillir 10 fois plus d'ions lithium que les électrodes en graphite conventionnelles. En conséquence, les nanofils pourraient plus que tripler la capacité énergétique des batteries au lithium.
Le développement, rapporté dans la revue scientifique Nature Nanotechnologie , provient des laboratoires de l'innovateur en nanofils Yi Cui et de l'expert en batteries Robert Huggins à Stanford's Département Science et Génie des Matériaux . Les chercheurs montrent que des nanofils de silicium de quelques atomes de diamètre peuvent fonctionner comme des électrodes à haute capacité, absorbant et libérant environ 10 fois plus d'ions lithium que les électrodes en graphite couramment utilisées aujourd'hui.
Charger une batterie au lithium signifie généralement déplacer les ions lithium de l'électrode positive ou de la cathode de la batterie vers son électrode négative ou son anode. Le silicium a la bonne affinité électrochimique pour les ions lithium, ce qui en fait un matériau prometteur pour les anodes. En fait, jusqu'à présent, c'était un peu trop prometteur. Les anodes en silicium absorbent trop de lithium. Lors de la charge, les anodes en silicium gonflent jusqu'à quatre fois leur volume précédent, fracturant le matériau. Après seulement quelques cycles de charge, les anodes sont terminées.
Les nanofils, en revanche, prennent le gonflement dans la foulée. Les nanofils de silicium des collaborateurs de Stanford gonflent lorsqu'ils sont chargés de 89 nanomètres de large à 141 nanomètres de large et s'allongent simultanément, libérant ainsi la contrainte. Ils ne montrent aucun signe de défaillance mécanique après plus de 20 cycles.
D'après Cui, les nanofils de silicium ne semblent pas non plus aussi sensibles que le graphite aux mécanismes de défaillance typiques qui causent des problèmes de sécurité (y compris les incendies qui ont provoqué de nouveaux règles du ministère des Transports des États-Unis cette semaine en limitant les batteries au lithium dans les bagages enregistrés). Potentiellement, le silicium sera beaucoup plus sûr que le carbone, déclare Cui, qui souligne qu'une sécurité améliorée pourrait être la clé de l'acceptation future du lithium dans les véhicules. Il suffit d'un accident ou deux pour détruire une technologie. Il dit que des tests sur de nombreux autres cycles sont en cours pour confirmer la durabilité et la sécurité améliorées de l'anode en silicium-nanofil.
L'inconvénient est que le processus de croissance de nanofils utilisé par Cui, qui alimente en silicium gazeux un catalyseur d'or liquide pour fabriquer l'électrode solide, est un processus à haute température (600 à 900 ° C) qui pourrait être coûteux à étendre. Cui pense que la mise à l'échelle du processus vapeur-liquide-solide est néanmoins faisable, mais il reconnaît qu'il explore également une autre approche.
chimiste de l'université d'État de l'Ohio Yiying Wu , qui travaille également sur les électrodes à nanofils, considère que les travaux de Stanford sont vraiment très importants. Mais Wu et d'autres scientifiques des matériaux avertissent que des progrès supplémentaires seront nécessaires avant que les batteries au lithium avec des électrodes à nanofils n'améliorent considérablement les performances des batteries de véhicules électriques. Le moindre n'est pas la nécessité d'intensifier le processus de fabrication des nanofils, qui n'ont pas encore été produits en série pour une application commerciale.
Une autre limitation est que si les nanofils de silicium de Cui font de grandes anodes, la technologie des batteries au lithium a davantage besoin de cathodes améliorées. Dans une batterie donnée, la substitution d'une anode qui stocke plus d'ions lithium n'a aucun impact sans une cathode correspondante qui peut fournir plus de charge.
Cui et Wu (qui signalé son propre développement d'anode de lithium le mois dernier avec un nanofil d'oxyde de cobalt de grande capacité) disent que leurs laboratoires travaillent sur de nouveaux matériaux pour les cathodes. C'est le Saint Graal de cette entreprise, dit Wu. Quiconque peut générer une capacité cathodique beaucoup plus élevée apportera une énorme percée pour la batterie au lithium.