L’avenir des véhicules électriques et de l’électronique mobile en général dépend de l’évolution des dispositifs de stockage d’énergie, qui représentent par conséquent un axe de recherche très actif ces dernières années. Les véhicules électriques nécessitent des batteries puissantes et de grande autonomie, mais il faut aussi qu’elles soient durables, sûres et rechargeables rapidement. Face à ces besoins ambitieux, développer des batteries de nouvelle génération est crucial. Dans cet effort, des chercheurs présentent une nouvelle technologie de batterie solide (à électrolytes solides) munie d’anodes en silicium pour une densité énergétique maximale.
Développée par des chercheurs de la Jacobs School of Engineering de l’université de Californie à San Diego, cette batterie possède donc les deux innovations clés d’une batterie à haute densité énergétique qui soit à la fois durable et sûre.
Depuis de nombreuses années, les scientifiques sont séduits par la densité d’énergie du silicium, qui promet les batteries de prochaine génération. Cependant, son contact avec l’électrolyte liquide entraîne une dégradation rapide de l’anode en silicium et une défaillance de la batterie. C’est ainsi que les chercheurs ont eu l’idée de développer une nouvelle architecture de batterie à électrolyte solide.
Électrolytes solides : vers les batteries de nouvelle génération
Comme les anodes en silicium, les électrolytes solides sont une autre branche de la recherche sur les batteries qui pourrait offrir des possibilités intéressantes. L’électrolyte liquide conventionnel qui transporte les ions de lithium entre l’anode et l’autre électrode de la batterie, la cathode, est très volatil, ce qui limite la compatibilité avec d’autres matériaux potentiels à haute performance comme le lithium métallique. Les électrolytes à l’état solide se présentent comme une solution prometteuse à ce problème.
En plus des avantages présentés précédemment, les chercheurs estiment qu’un électrolyte solide pourrait apporter des avantages similaires aux anodes en silicium. Les efforts visant à incorporer du silicium dans les anodes des batteries au lithium ont été fortement limités par les fluctuations de la taille des particules de silicium, qui se dilatent et se contractent lorsque le dispositif se charge et se décharge. Ces fluctuations, combinées à des interactions instables entre l’anode de silicium et l’électrolyte liquide, entraînent de graves pertes de capacité lorsque la batterie est soumise à des cycles.
« En tant que chercheurs dans le domaine des batteries, il est essentiel de s’attaquer aux problèmes fondamentaux du système », explique Shirley Meng, auteure correspondante de l’étude. « Pour les anodes en silicium, nous savons que l’un des grands problèmes est l’instabilité de l’interface de l’électrolyte liquide. Nous avions besoin d’une approche totalement différente ».
80% de capacité conservée après 500 cycles de charge/décharge
Dans cette nouvelle batterie, les ingénieurs ont éliminé le carbone et les liants normalement utilisés et ont opté pour une forme moins chère de micro-silicium qui subit moins de traitement. Un électrolyte solide à base de sulfure a ensuite été introduit pour transporter la charge, et la batterie résultante s’est avérée extrêmement stable, en évitant les interactions nuisibles au niveau de l’anode.
La batterie entièrement solide au silicium ainsi obtenue est décrite comme sûre, durable et dense en énergie. Une cellule complète à l’échelle du laboratoire s’est révélée capable d’effectuer 500 cycles de charge et de décharge tout en conservant 80% de sa capacité, démontrant ainsi les effets stabilisateurs de la nouvelle conception. Les détails ont été publiés dans la revue Science.
« L’approche silicium/batterie solide permet de surmonter de nombreuses limites des batteries conventionnelles », déclare Darren H. S. Tan, auteur principal et PDG de la start-up UNGRID Battery, qui a récemment breveté la technologie. « Elle nous offre des possibilités intéressantes pour répondre aux demandes du marché en matière d’énergie volumétrique plus élevée, de coûts réduits et de batteries plus sûres, notamment pour le stockage d’énergie sur le réseau ».
Vidéo donnant un aperçu du travail des chercheurs :