211service.com
Nanowire Advance pour les batteries au lithium
Le lithium-ion est devenu la batterie de choix pour les véhicules électriques, incitant les chercheurs à améliorer les performances, la longévité et la fiabilité de la technologie. Un nouveau type d'électrode à nanofil développé par un professeur de science et d'ingénierie des matériaux Yi Cui à Stanford est un pas vers cet objectif.
Boost de nanofils : Les nanofils de carbone recouverts de silicium (en bas) produisent un matériau qui peut stocker six fois plus de charge que le graphite utilisé dans les électrodes de batterie au lithium d'aujourd'hui. (Nanofils de carbone nus montrés en haut.)
Les nouvelles électrodes, discutées dans le Lettres nano , peut stocker six fois plus de charge que les électrodes en graphite des batteries au lithium actuelles, ce qui signifie que les voitures électriques offrent plus de kilométrage par session de charge.
Lorsqu'une batterie au lithium est chargée, les ions lithium se déplacent de l'électrode positive (cathode) à l'anode négative. Le silicium est un matériau prometteur pour les anodes car il peut stocker plus de 10 fois plus d'ions que le graphite pour le même poids. Mais lorsque le silicium absorbe la charge, il gonfle jusqu'à quatre fois son volume d'origine et se fissure après quelques cycles de charge.
Les nouveaux nanofils exploitent les propriétés du silicium et du graphite. Cui et ses collègues fabriquent le matériau en déposant du silicium amorphe sur des nanofils de carbone. Les fils peuvent stocker une charge d'environ 2 000 milliampères-heures par gramme, tandis que les anodes en graphite stockent moins de 360 milliampères-heures par gramme. Pendant ce temps, le noyau en carbone les rend robustes. Les ions lithium peuvent également être absorbés dans le carbone, dit Cui, mais l'expansion volumique du carbone est de 10 % ou moins, ce qui fournit une épine dorsale stable. Lors des tests, les nanofils ont bien fonctionné pendant plus de 50 cycles de charge.
Les chercheurs avaient auparavant fabriqué des électrodes à partir de nanofils de silicium cristallin pur. Celles-ci avaient le triple de la capacité de stockage des électrodes en graphite mais ne duraient que 20 cycles.
Les nanofils carbone-silicium sont également plus faciles à réaliser. Ils ne nécessitent pas les températures élevées nécessaires à la croissance des nanofils uniquement en silicium. La nanofibre de carbone est déjà disponible dans le commerce et vous pouvez en produire des tonnes, dit Cui. Le processus de revêtement pourrait être beaucoup plus rapide et est facile pour la fabrication à grande échelle.
Pour une utilisation dans les véhicules électriques commerciaux, les électrodes de batterie au lithium doivent durer au moins 300 cycles de charge. À cet égard, les nanofils pourraient faire face à une concurrence féroce. En décembre 2008, une équipe de l'Université Hanyang à Ansan, en Corée du Sud, a dévoilé des anodes en silicium nanoporeux qui duraient plus de 100 cycles de charge et pouvaient stocker plus de charge que les nanofils. Chimiste Jaephil Cho , qui a dirigé les travaux, affirme que le matériau nanoporeux a plus de volume de silicium par unité que les nanofils, il peut donc contenir plus de charge par unité de volume. Cependant, dit-il, la [fabrication] de la fibre de carbone est facile à étendre et, par conséquent, la méthode de [Cui] pour fabriquer des nanofils carbone-silicium est considérée comme très pratique.
General Motors et Applied Sciences, quant à eux, développent des anodes en nanofils très similaires à celles de l'équipe de Stanford. Les sociétés recouvrent les nanofibres de carbone de particules de silicium, par opposition au silicium amorphe, ce qui donne des anodes pouvant stocker une charge de 1 000 à 1 500 milliampères-heures par gramme. Gholam-Abbas Nazri, qui dirige les travaux au Centre de recherche et de développement de GM à Warren, MI, dit que la capacité de l'anode peut être augmentée en rendant la couche de silicium plus épaisse, mais pour le moment, il est préférable de stabiliser la capacité à 1 000 milliampères-heures. par gramme. Les anodes qui stockent plus de charge ont besoin de cathodes qui peuvent fournir une charge plus élevée, dit Nazri, et pour le moment, il n'y a pas de cathode [matériau] avec une capacité suffisante pour correspondre à l'anode en carbone-silicium.
Cui est confiant dans le succès du silicium en tant que matériau d'anode pour les batteries au lithium. Dans les cinq prochaines années ou moins, nous verrons une batterie avec des anodes en silicium, dit-il. Cependant, le coût sera le facteur décisif. En fin de compte, dit-il, tout dépend de celui qui peut proposer un processus de fabrication à faible coût et à grande échelle, produire les meilleures performances et fabriquer des produits.