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Batteries de voiture électrique à plus longue durée de vie
Dans une avancée qui pourrait aider les véhicules électriques à fonctionner plus longtemps entre les charges, les chercheurs ont montré que les électrodes en nanotubes de silicium peuvent stocker 10 fois plus de charge que les électrodes en graphite conventionnelles utilisées dans les batteries lithium-ion.
Stockage du silicium : Cette image d'un faisceau de nanotubes de silicium a été réalisée à l'aide d'un microscope électronique à balayage.
Des chercheurs de l'Université de Stanford et de l'Université de Hanyang à Ansan, en Corée, développent les électrodes à nanotubes en collaboration avec Lg chimie , une entreprise coréenne qui fabrique des batteries lithium-ion, y compris celles utilisées dans le Chevrolet Volt . Lorsqu'une telle batterie est chargée, les ions lithium se déplacent de la cathode vers l'anode. Les nouvelles électrodes de batterie, décrites en ligne dans le journal Lettres nano , sont des anodes et peuvent stocker beaucoup plus d'énergie que les électrodes en graphite conventionnelles car elles absorbent beaucoup plus de lithium lorsque la batterie est chargée.
Dans une voiture hybride, la batterie ne dure que 30 minutes avec la technologie actuelle, dit Jaephil Cho , professeur d'ingénierie énergétique à l'Institut national des sciences et technologies d'Ulsan en Corée, qui a dirigé les recherches sur les anodes en nanotubes. Si la nouvelle anode en silicium peut être associée à une cathode avec une capacité de stockage comparable, la batterie résultante devrait être capable de faire fonctionner une voiture pendant trois à quatre heures sans être rechargée, explique Cho.
Les anodes en silicium ont une capacité de stockage d'énergie plus élevée que le graphite conventionnel car le matériau peut absorber 10 fois plus de lithium en poids que le carbone graphitique. En fait, le silicium absorbe tellement de lithium - en augmentant son volume jusqu'à quatre fois - que cela peut être un inconvénient. La contrainte mécanique sur le matériau fragile est si importante que les anodes en silicium ont tendance à se fissurer après avoir été chargées et déchargées seulement quelques fois. Ainsi, les chercheurs, dont Cho et le scientifique des matériaux de Stanford Yi Cui , ont développé du silicium nanostructuré conçu pour mieux résister à ces contraintes. Ils ont fabriqué des anodes en nanofils de silicium et des anodes en silicium nanoporeux. Maintenant, ils ont collaboré pour développer des anodes en nanotubes de silicium, dont la capacité de stockage est meilleure que celle d'autres matériaux de silicium nanostructurés, explique Cho.
L'anode de nanotube de silicium ressemble à un tas de pailles creuses. Alors que les nanofils de silicium peuvent interagir avec le lithium uniquement sur leur surface, les nanotubes ont une surface plus exposée à l'intérieur. Le nanotube a une grande surface – beaucoup plus d'espace pour les sites de réaction que d'autres types de matériaux, explique Cho. La forme aide également à soulager les contraintes mécaniques lorsque la batterie est chargée et déchargée, car il y a plus d'espace pour que le silicium se dilate et se contracte.
Les nanotubes de silicium sont fabriqués en immergeant à plusieurs reprises un gabarit en aluminium dans une solution de silicium, puis en le chauffant et en gravant la structure dans de l'acide pour éliminer l'aluminium. C'est très simple, et le modèle est disponible dans le commerce, dit Cho. Avec LG Chem, Cho travaille avec le fabricant de modèles pour créer un modèle compatible avec la fabrication à grande échelle. Il pense que les batteries incorporant les électrodes à nanotubes pourraient être sur le marché dans trois ans.
Il est trop tôt pour déterminer si les anodes en silicium augmenteraient le coût des batteries au lithium. Cependant, même si le coût est plus élevé, car vous pouvez obtenir une capacité élevée [avec du silicium], il y aura un avantage, dit Arumugam Manthiram , professeur d'ingénierie et d'études énergétiques à l'Université du Texas à Austin.
LG Chem n'est pas la seule entreprise de batteries à travailler sur des anodes en silicium ; 3M et Sanyo développent également la technologie. Cependant, des défis majeurs restent à relever avant que ces électrodes ne soient intégrées dans les blocs-batteries des véhicules, met en garde Stanley Whittingham , professeur de science des matériaux et de chimie à l'Université d'État de New York à Binghamton. L'un des problèmes avec le silicium est de récupérer toute l'énergie que vous y mettez, une propriété appelée efficacité coulombique. Au fil du temps, de moins en moins d'énergie injectée se déchargera d'une batterie utilisant une anode en silicium. Cui et Cho ont démontré les performances de leurs anodes après 200 charges. Mais avant qu'une anode ne soit utilisable dans un véhicule, dit Whittingham, son efficacité coulombique doit être prouvée sur des centaines ou des milliers de charges, et une telle performance à long terme n'a pas encore été démontrée avec le silicium.
Un autre défi est que ces anodes hautes performances doivent actuellement être associées à des cathodes moins stellaires. Pour profiter pleinement des avantages d'une anode en silicium, vous avez besoin d'une cathode dont la capacité de stockage de charge est également 10 fois meilleure, explique Cui. Afin de les faire correspondre dans une batterie de travail pour les tests, les anodes en silicium sont actuellement associées à des cathodes de grand volume faites de matériaux conventionnels. Cui et Cho développent également de nouveaux matériaux de cathode en collaboration avec LG Chem.