Selon une nouvelle étude, la technologie des batteries de la prochaine génération pourrait être rendue possible par la combinaison d’électrolytes solides et d’un peu de silicium.
Deux voies très prometteuses dans la recherche d’une technologie de batterie de nouvelle génération consistent à utiliser des électrolytes solides plutôt que liquides et à ajouter du silicium au composant anodique pour augmenter la densité énergétique. Une architecture récemment mise au point intègre ces deux innovations dans un seul dispositif pour former une batterie solide sûre, durable et capable de stocker de grandes quantités d’énergie.
Depuis de nombreuses années, les scientifiques sont séduits par la densité d’énergie du silicium qui promet les batteries de la prochaine génération, mais son introduction dans le mélange n’est pas sans poser de problèmes. L’idée est d’incorporer ou de remplacer entièrement le graphite utilisé comme anode par du silicium afin de stocker potentiellement jusqu’à 10 fois plus d’ions lithium. Le problème est que le silicium entraîne une dégradation rapide de l’électrolyte liquide et une défaillance rapide de la batterie, mais les auteurs de cette nouvelle étude pensent que la solution pourrait résider dans l’utilisation d’un électrolyte solide à la place.
Comme les anodes en silicium, les électrolytes solides sont une autre branche de la recherche sur les piles qui pourrait ouvrir 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 métal. Les électrolytes à l’état solide se présentent comme une solution prometteuse à ce problème.
Des ingénieurs de l’université de Californie à San Diego ont pensé 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 contrariés 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, l’auteur correspondant. « 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. »
Les scientifiques 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 nouvelle batterie entièrement solide en silicone est décrite comme sûre, durable et dense en énergie. Une cellule complète à l’échelle du laboratoire s’est avérée capable d’effectuer 500 cycles de charge et de décharge tout en conservant 80 % de sa capacité, ce qui démontre les effets stabilisateurs de la nouvelle conception.
« L’approche du silicium à l’état solide permet de surmonter de nombreuses limites des batteries conventionnelles », déclare Darren H. S. Tan, premier auteur et PDG de la start-up UNGRID Battery, qui a obtenu une licence pour cette technologie. « Elle présente des opportunités passionnantes pour nous permettre de 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. »
