Libérer le potentiel des matériaux d’anode en silicium pour les batteries commercialisées

Sep 02, 2023

31 août 2023

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par JooHyeon Heo, Institut national des sciences et technologies d'Ulsan

Dans une revue publiée dans Nature Energy, le professeur Jaephil Cho de l'École d'ingénierie énergétique et chimique de l'UNIST présente un protocole d'analyse pour évaluer les matériaux de cathode de silicium applicables aux batteries commercialisées. L'étude approfondit les caractéristiques et les défis liés aux matériaux d'anode en silicium, qui font l'objet d'une attention particulière en tant que composants de batterie secondaire.

Le silicium est devenu une alternative prometteuse aux anodes en graphite classiques dans les batteries lithium-ion à haute énergie en raison de sa capacité gravimétrique exceptionnelle. Cependant, des problèmes intrinsèques tels qu’une forte expansion du volume au cours du cyclage ont entravé l’utilisation généralisée des anodes en Si dans le développement des batteries. Bien que les laboratoires aient fait d'énormes progrès pour résoudre ces problèmes, la plupart des batteries contenant du Si utilisées dans l'industrie (où les anodes en Si sont composées de sous-oxydes de Si ou de composites Si-C) ne peuvent incorporer que des quantités limitées de silicium.

L'analyse complète de l'équipe de recherche explore les facteurs cruciaux qui influencent la densité énergétique pratique des batteries contenant du silicium. Il examine des phénomènes tels que le gonflement des électrodes et la tension de coupure pendant le fonctionnement des cellules tout en prenant en compte la durée de vie, les problèmes de sécurité et les implications en termes de coûts, autant d'aspects essentiels qui ont un impact significatif sur la conception pratique des cellules.

En outre, l'article propose des protocoles de test visant à évaluer la faisabilité et la viabilité des anodes en silicium nouvellement développées. Ces protocoles offrent des informations précieuses pour garantir des performances, une efficacité, une durabilité et une sécurité optimales lors de l’intégration de ces matériaux avancés dans les applications de batteries commerciales.

L'une des principales découvertes soulignées par l'équipe du professeur Cho est que réduire la taille des particules de silicium à moins de 5 nm tout en les dispersant uniformément dans des particules de carbone conductrices est très prometteuse pour surmonter les limitations existantes. Les progrès récents rapportés par les chercheurs concernaient le dépôt de matières premières sur des particules composites de carbone par dépôt gazeux, une technologie de synthèse capable de réduire la taille des particules en dessous de 1 nm. Cette approche innovante a démontré des efficacités initiales supérieures à 90 % avec des caractéristiques de durée de vie considérablement améliorées.

"Les méthodes d'évaluation actuellement rapportées dans les revues spécialisées pour les matériaux d'anode en silicium sont quelque peu limitées, ce qui rend difficile la détermination de leur viabilité commerciale", a déclaré le professeur Cho. Le protocole d'analyse proposé vise à combler cette lacune et à fournir un cadre complet pour évaluer le potentiel pratique de ces matériaux dans les batteries commercialisées.