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Les anodes constituant actuellement la plupart des systèmes de stockage d’énergie sont faites à base de graphite. Toutefois, ce matériau n’est pas le plus optimal pour assurer un stockage longue durée et une stabilité au cours des nombreux cycles de charge/décharge. L’alternative est le silicium, un matériau bien plus efficace, mais souffrant de certains défauts empêchant sa commercialisation. Récemment, une équipe de chercheurs coréens a mis au point une série de procédés très simples en utilisant de l’amidon de maïs, permettant de corriger ces défauts et ouvrant la voie à une utilisation massive du silicium dans les futures batteries. 

Hun-Gi Jung et son équipe de recherche au Center for Energy Storage Research, de l’Institut coréen des sciences et de la technologie (KIST), ont annoncé le développement d’anodes en silicium qui peuvent quadrupler la capacité d’une batterie, par rapport aux matériaux d’anodes en graphite, et qui permettent une charge rapide à plus de 80% de la capacité en seulement cinq minutes. Lorsqu’ils sont appliqués aux batteries des véhicules électriques, les nouveaux matériaux devraient plus que doubler leur autonomie.

Les batteries actuellement installées dans les véhicules électriques de série utilisent des matériaux en graphite, mais leur faible capacité contribue à ce que les véhicules électriques aient une autonomie plus courte que les véhicules à moteur à combustion interne. Par conséquent, le silicium, avec une capacité de stockage d’énergie 10 fois supérieure au graphite, a attiré l’attention en tant que matériau de nouvelle génération pour le développement de véhicules électriques à longue autonomie.

Améliorer les capacités du silicium grâce à des composites carbone-silicium

Cependant, les matériaux en silicium n’ont pas encore été commercialisés car leur volume augmente rapidement et la capacité de stockage diminue considérablement pendant les cycles de charge et de décharge, ce qui limite la commercialisation. Un certain nombre de méthodes ont été suggérées pour améliorer la stabilité du silicium en tant que matériau pour les anodes, mais le coût et la complexité de ces méthodes ont empêché le silicium de remplacer le graphite.

Pour améliorer la stabilité du silicium, Jung et son équipe se sont concentrés sur l’utilisation de matériaux courants dans notre vie quotidienne, tels que l’eau, l’huile et l’amidon.

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Ils ont dissous l’amidon et le silicium respectivement dans l’eau et l’huile, puis les ont mélangés et chauffés afin de produire des composites carbone-silicium. Un processus thermique simple utilisé pour frire les aliments a été utilisé pour lier fermement le carbone et le silicium, empêchant les matériaux en silicium de se dilater pendant les cycles de charge et de décharge.

Des performances supérieures à celles des anodes en graphite

Les matériaux composites développés par l’équipe de recherche ont démontré une capacité quatre fois supérieure à celle des matériaux en graphite (360 mAh/g – 1530 mAh/g) et une capacité de rétention stable sur 500 cycles. Il a également été constaté que les matériaux permettent aux batteries de se charger à plus de 80% de leur capacité en seulement cinq minutes. Les résultats ont été publiés dans la revue Nano Letters.

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carbone silicium

Structure et propriétés de l’hybride carbone-silicium développé par les chercheurs. Crédits : Hyun Jung Kwon et al. 2020

Les sphères de carbone empêchent l’expansion volumique habituelle du silicium, améliorant ainsi la stabilité des matériaux en silicium. De plus, l’utilisation de carbone hautement conducteur et le réarrangement de la structure en silicium ont entraîné un rendement élevé.

« Nous avons pu développer des matériaux composites carbone-silicium en utilisant des matériaux courants et usuels et des processus de mélange et thermiques simples sans réacteurs. Les procédés simples et les composites avec d’excellentes propriétés que nous avons développés sont très susceptibles d’être commercialisés et produits en masse. Les composites pourraient être appliqués aux batteries lithium-ion pour les véhicules électriques et les systèmes de stockage d’énergie (ESS) », conclut Jung.

Sources : Nano Letters

batterie silicium

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