Un remède gluant pour les batteries haute capacité sujettes aux fissures

Si les voitures électriques doivent parcourir des centaines de kilomètres entre les charges, comme elles doivent rivaliser avec les voitures à essence, leurs batteries devront stocker beaucoup plus d'énergie. Malheureusement, plusieurs des matériaux de batterie haute capacité les plus prometteurs sont susceptibles de se briser de manière à interrompre un voyage sur la route électrifié.

Pouvoirs de guérison: Les fissures formées dans une électrode de batterie auto-cicatrisante après sa charge (en haut) commencent à se refermer après cinq heures (en bas). L'électrode, un mélange de microparticules de silicium et d'un polymère auto-cicatrisant, a été imagée à l'aide d'un microscope électronique à balayage.

Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de Stanford ont montré que le mélange d'un tel matériau de batterie prometteur, les microparticules de silicium, avec des polymères auto-cicatrisants aide à empêcher une batterie de longue durée de tomber en panne. Ils disent que les polymères auto-cicatrisants pourraient stabiliser d'autres matériaux de batterie prometteurs mais sujets aux dommages.

L'électrode négative, ou anode, de la batterie auto-cicatrisante associe du silicium à des polymères qui agissent comme des fermetures à glissière chimiques, cicatrisant les fissures qui se forment lorsque la batterie est utilisée et rechargée.

L'électrode de batterie auto-cicatrisante a jusqu'à présent été testée avec du lithium métal pur comme électrode positive, car sa capacité de stockage est bien supérieure à celle de n'importe quelle cathode conventionnelle. L'électrode auto-cicatrisante elle-même a huit fois la capacité de stockage des anodes de carbone trouvées dans une batterie lithium-ion rechargeable conventionnelle. Si elle est associée à une cathode conventionnelle, elle créerait une batterie qui stockerait environ 40 % d'énergie en plus. Si elle était associée à une cathode de grande capacité correspondante, le stockage total d'énergie serait doublé ou triplé.

Alors que les batteries au silicium précédentes ne pouvaient être déchargées et rechargées que 10 fois avant de tomber en panne, la batterie auto-réparatrice résiste à 100 cycles de charge. Mais ce n'est toujours pas suffisant, reconnaît le scientifique des matériaux de Stanford Yi Cui . Nous devons passer à 500 cycles pour l'électronique portable et à quelques milliers pour les véhicules électriques, dit Cui.

Pourtant, l'approche de Cui peut fournir une nouvelle voie à suivre pour les matériaux prometteurs qui ont été bloqués. Cela indique un moyen de résoudre un problème général avec une haute - anodes de capacité, dit Paul Braun , un scientifique des matériaux à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign qui n'est pas impliqué dans le travail.

Les anodes en silicium absorbent de grandes quantités de lithium lorsque la batterie est chargée et libèrent tout ce lithium lorsque la batterie est utilisée. De telles anodes peuvent stocker beaucoup d'énergie dans un petit espace, mais leur grande capacité est un handicap en ce qui concerne les matériaux qui les composent : lorsque de grandes quantités de lithium entrent et sortent de la batterie, le silicium se dilate et se contracte, fissuration des anodes lors de leur première utilisation ; la même chose arrive aux anodes en étain et germanium.

Pour la batterie d'auto-guérison, Cui a collaboré avec un autre chercheur de Stanford, Zhenan Bao , qui avait auparavant développé une peau électronique auto-réparatrice basée sur un polymère extensible et collant (voir Electric Skin that Rivals the Real Thing ).

Bloc d'alimentation: Ce prototype de cellule de batterie lithium-ion utilise une électrode de silicium auto-cicatrisante.

Lorsque le polymère est fracturé, il s'écoule à nouveau. Le groupe a mélangé des particules de carbone conductrices pour s'assurer que le polymère, qui n'est pas conducteur, n'entraverait pas le flux d'électricité à travers la batterie. Ce mélange gluant a ensuite été combiné avec des microparticules de silicium pour former une anode. Lorsque la batterie est chargée et déchargée, le silicium continue de se dilater, de se contracter et de se fracturer, mais le polymère rassemble tout. Normalement, une fois que l'anode se fissure, vous perdez le contact électrique, explique Cui. Le polymère auto-cicatrisant relie les pièces cassées ensemble.

Il existe d'autres moyens de gérer la tendance du silicium à se fissurer. Le groupe de Cui a expérimenté des formes nanostructurées de silicium, y compris des nanofils, capables de résister aux contraintes de charge et de recharge. Des anodes en silicium nanostructurées comme celle-ci sont développées par Suite , une société de Sunnyvale, en Californie, que Cui a cofondée. Cependant, les chercheurs et les entreprises continuent de se renseigner sur ces nanomatériaux. Il est facile de mettre la main sur un petit flacon de silicium nanostructuré, mais fabriquer 50 ou 60 tonnes à un coût raisonnable est un gros problème qui n'a pas été résolu, explique Braun.

Cui dit que la combinaison de microparticules avec le polymère cicatrisant pourrait être moins chère et plus pratique pour les batteries haute capacité que les approches qui nécessitent des nanomatériaux coûteux. Les microparticules de silicium utilisées dans la démonstration de la batterie auto-cicatrisante peuvent être achetées dans le commerce en grande quantité et ne sont pas très chères.

Nancy sottos , un scientifique des matériaux à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, a développé une autre approche : Sottos mélange des capsules de matériaux de guérison avec les matériaux de la batterie. L'un de ces matériaux est une bulle qui éclate pour libérer du métal conducteur pour réparer les connexions électriques dans une batterie endommagée. Son groupe a fait des démonstrations de validation de principe en utilisant cette méthode.

Yuegang Zhang , un chercheur sur les batteries au Lawrence Berkeley National Laboratory, affirme que le liant auto-cicatrisant de Stanford est prometteur pour d'autres types de matériaux de batterie haute capacité, tels que l'étain. Zhang a adopté une approche différente dans son propre travail, mélangeant des nanostructures d'étain avec du graphène extensible, solide et conducteur pour maintenir les anodes ensemble. Notant le petit nombre de fois où les batteries au silicium de Cui peuvent être rechargées, dit-il, le silicium a encore des problèmes, mais j'aime cette idée.

Maintenant qu'ils ont fait la première démonstration, Cui et Bao travaillent sur des correctifs qui permettraient à leur batterie au silicium auto-réparatrice de subir plus de cycles de charge. Nous commençons tout juste, dit Cui.

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