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Un moyen simple d'augmenter le stockage de la batterie
Les électrodes des batteries lithium-ion liées entre elles par un nouveau matériau hautement conducteur ont une capacité de stockage beaucoup plus importante, une évolution qui pourrait éventuellement augmenter l'autonomie des voitures électriques et la durée de vie des batteries des smartphones sans augmenter leur coût. Contrairement à de nombreuses électrodes de grande capacité développées au cours des dernières années, celles-ci peuvent être fabriquées à l'aide des équipements déjà présents dans les usines de batteries d'aujourd'hui.
Classeur de batterie : Cette image de microscopie montre une électrode de silicium avant la charge (à gauche) et après 32 cycles. Un nouveau liant maintient les particules rapprochées.
La clé est un liant polymère extensible et hautement conducteur qui peut être utilisé pour maintenir ensemble le silicium, l'étain et d'autres matériaux qui peuvent stocker beaucoup d'énergie mais qui sont généralement instables. Les chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory ont minutieusement conçu ce nouveau liant polymère et l'ont utilisé pour fabriquer une anode en silicium pour une batterie lithium-ion rechargeable avec une capacité de stockage 30 pour cent supérieure à celles du marché aujourd'hui. Il est également plus stable dans le temps que les électrodes développées précédemment.
Lorsqu'une batterie lithium-ion est chargée, les ions lithium sont captés par l'une des électrodes, appelée anode. Plus l'anode peut contenir de lithium, plus la batterie peut stocker d'énergie. Le silicium est l'un des matériaux anodiques les plus prometteurs : il peut stocker 10 fois plus de lithium que le graphite, qui est utilisé pour fabriquer les anodes des batteries lithium-ion actuellement sur le marché. Le graphite absorbe le lithium comme une éponge, gardant sa forme, mais le silicium ressemble plus à un ballon, dit Gao Liu , chercheur à la division Environmental Energy Technologies du Berkeley Lab.
Cependant, comme les anodes en silicium gonflent et rétrécissent, changeant de volume trois ou quatre fois au fur et à mesure qu'elles sont chargées et déchargées, la capacité de la batterie s'estompe avec le temps. Après quelques cycles de charge et de décharge, les particules de silicium ne sont bientôt plus en contact les unes avec les autres, ce qui signifie que l'anode ne peut pas conduire l'électricité, explique Liu.
Une approche du problème consiste à structurer ces anodes d'une manière totalement différente, par exemple en faisant croître des réseaux hirsutes de nanofils de silicium qui peuvent se plier, gonfler et se déplacer lorsque le lithium entre et sort. Cette approche est commercialisée par Amprius, une startup de Palo Alto, en Californie. Mais la croissance des nanofils nécessite de nouveaux processus qui ne sont normalement pas utilisés dans la fabrication de batteries.
Les anodes d'aujourd'hui sont fabriquées en peignant une suspension à base de solvant de particules de graphite maintenues ensemble par un liant, un processus simple qui maintient les coûts bas. Les chercheurs de Berkeley pensent que la clé pour fabriquer de nouveaux matériaux de batterie comme le silicium est de s'en tenir à ce processus de fabrication. Cela signifiait proposer un liant caoutchouteux qui collerait aux particules de silicium, resterait hautement conducteur dans l'environnement hostile de l'anode, et s'étirerait et se contracterait à mesure que l'anode gonfle et se dégonfle.
La plupart des travaux sur les batteries avancées se sont concentrés sur les matériaux actifs, mais nous avons poussé ces matériaux à la limite, dit Youri Gogotsi , professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université Drexel. Maintenant, ce qui nous limite, ce sont les liants.
En lisant des articles sur les liants de batterie au silicium, Liu a remarqué que les chercheurs commettaient des erreurs fatales en choisissant des polymères qui perdent leur conductivité dans les types de conditions rencontrées dans une anode, par exemple. Il a travaillé avec des chimistes théoriciens pour dresser une liste de polymères ayant les bonnes propriétés électriques pour le travail. Une fois qu'ils en ont trouvé un, ils l'ont modifié pour le rendre beaucoup plus collant. Une fois qu'ils ont développé et caractérisé ce nouveau matériau, ils ont pu fabriquer des anodes en silicium en utilisant des procédés conventionnels, et les tester dans des batteries.
Les anodes du groupe Berkeley ont été testées sur plus de 650 cycles de charge. Ils maintiennent une capacité de stockage de 1 400 milliampères-heures par gramme, bien supérieure aux 300 environ stockés par les anodes conventionnelles. Les batteries pleines incorporant les anodes stockent environ 30 pour cent d'énergie totale de plus qu'une batterie lithium-ion commerciale. En règle générale, la capacité de la batterie augmente d'environ 5 % par an, note Liu. Il dit qu'ils ont testé le liant dans d'autres anodes de batterie, y compris celles en étain, qui ont un potentiel et des problèmes similaires, et qu'il devrait fonctionner pour de tels matériaux.
La capacité de stockage de ces batteries est presque aussi bonne que celles fabriquées à partir de nanofils de silicium pur sans liants, selon Yi Cui , professeur de science et d'ingénierie des matériaux à Stanford et l'un des fondateurs d'Amprius. C'est impressionnant, dit-il, étant donné que le liant ne stocke pas de lithium.
Le groupe de Liu collabore maintenant avec des chercheurs de 3M sur la recherche sur les anodes. 3M augmente la production de matériaux de batterie à base de silicium conçus pour ne pas se développer autant pendant la charge, déclare Kevin Eberman, qui développe des produits de matériaux de batterie chez Électronique 3M à Saint-Paul, Minnesota. Mais pour les faire fonctionner, un bon cartable est essentiel. L'entreprise fournit au groupe Berkeley des matériaux à tester. Liu dit que le groupe Berkeley a breveté les liants et est en pourparlers avec quelques entreprises sur les moyens de les commercialiser.