Nouvelle préparation du prochain

23 décembre 2022

par Tsinghua University Press

Les performances des batteries lithium-ion seront essentielles pour rendre la transition propre moins chère et plus facile, ce qui nécessite à son tour une nouvelle génération de matériaux pour les anodes de ces batteries. L'une des options les plus performantes, un composite silicium-monoxyde-carbone, souffre d'une série de réactions chimiques indésirables. Une nouvelle technique de préparation de ce matériau d'anode semble avoir enfin résolu le problème.

La recherche de la prochaine génération de matériaux pour les anodes dans les batteries lithium-ion a longtemps souffert d'une série de réactions chimiques parasites pour bon nombre des substituts proposés pour le graphite qui est traditionnellement utilisé. Une nouvelle technique de préparation d'un matériau composite silicium-monoxyde-carbone semble prête à fournir enfin les gains d'efficacité souhaités sans aucune des réactions secondaires indésirables.

Un article décrivant le processus est paru dans la revue Nano Research.

Depuis la fin des années 1990, la plupart des fabricants de batteries lithium-ion ont utilisé du graphite comme anode de la batterie (la borne négative dans laquelle le courant électrique entre dans la batterie), en remplacement du charbon à coke. Le passage du coke au graphite, une forme de carbone, a été effectué en raison de sa stabilité à long terme sur de nombreux cycles de recharge et de décharge.

Mais pour améliorer encore les performances des batteries lithium-ion (et ainsi rendre la transition des combustibles fossiles moins chère et plus faisable), les fabricants de batteries auront besoin d'anodes encore meilleures.

L'un des matériaux de remplacement des anodes largement vantés pour le graphite sont les composés à base de silicium en raison de leur capacité spécifique élevée (taux de décharge) et de leur abondance dans la croûte terrestre. Le monoxyde de silicium en particulier s'est révélé très prometteur pour la prochaine génération de batteries lithium-ion haute puissance.

Malgré cette promesse, le monoxyde de silicium à lui seul présente également un ensemble d'inconvénients, notamment sa faible conductivité inhérente et son changement massif de taille (volume) au cours des cycles de recharge et de décharge. Ces variations de volume allant jusqu'à 300 % entraînent une destruction et une perte des matériaux d'anode, réduisant radicalement les performances.

"Cependant, si le monoxyde de silicium est combiné dans un matériau composite avec du carbone - une sorte de mélange entre le matériau d'anode en graphite existant et l'anode à base de silicium de nouvelle génération, nous pourrions être gagnants", a déclaré Zhengwen Fu, co-auteur de l'étude et électrochimiste au Shanghai Key Laboratory of Molecular Catalysis and Innovative Materials de l'Université de Fudan. "Le composite offre le meilleur des deux mondes. Mais même ici, il y a de nombreux obstacles à surmonter."

Le carbone offre l'avantage d'une conductivité électrique élevée et de sa stabilité structurelle susmentionnée, et connaît également une expansion de volume beaucoup plus faible pendant le cyclage. Sa flexibilité et sa capacité de lubrification agissent également pour inhiber l'expansion volumique du silicium. Dans l'ensemble, l'anode composite offre une bonne capacité et des performances de cyclage élevées.

Malheureusement, la résolution d'un ensemble de problèmes n'en a produit qu'un autre : les anodes composites silicium-monoxyde-carbone souffrent d'un rendement coulombique relativement faible. L'efficacité coulombique, parfois appelée efficacité de courant, fait référence au rapport de la charge électrique totale mise dans une batterie par rapport à la charge totale extraite de celle-ci. (Coulomb est le terme utilisé pour décrire une unité de charge électrique) Il y aura toujours moins de sorties que de sorties, mais le but est de limiter au minimum ces pertes inévitables.

L'efficacité coulombienne est particulièrement importante pour améliorer les performances et réduire le coût de la quantité colossale de batteries dont nous aurons besoin pour électrifier les véhicules et pour les systèmes de stockage d'énergie pour soutenir les sources variables d'énergie renouvelable telles que l'éolien et le solaire.

Au cours du tout premier cycle de la batterie lithium-ion utilisant une anode composite silicium-monoxyde-carbone, une partie du lithium réagit de manière irréversible avec le composite, produisant des « produits de dégradation » qui forment une couche entre la surface de l'anode et l'électrolyte appelée interphase d'électrolyte solide, ou SEI. Ce processus de « lithiation » parasite entraîne à son tour une perte de lithium actif ainsi que d'efficacité coulombique.

Pour surmonter ces défis, les chercheurs ont développé une nouvelle technique de "pré-lithiation", dans laquelle ils stockent à l'avance du lithium supplémentaire dans la batterie pour compenser le lithium consommé par les réactions parasites lors du cyclage de la batterie. D'autres chercheurs avaient développé leurs propres techniques de prélithiation, impliquant généralement du lithium métallique pur, un lithium métallique modifié ou un composé contenant du lithium.

Toutes ces approches ont leurs propres limites. Par exemple, les composés contenant du lithium ont tendance à libérer un gaz suite à la lithiation lors du cyclage, ce qui réduit les performances de l'anode et la densité d'énergie de la batterie dans son ensemble.

La nouvelle technique de pré-lithiation, que les chercheurs appellent "corrosion du lithium à l'état solide", élimine ces problèmes en remplaçant l'électrolyte liquide (le milieu à base de lithium qui permet le transport des ions entre l'anode et son homologue positif, la cathode, d'une batterie) par un électrolyte solide composé d'oxynitrure de lithium et de phosphore incorporé au carbone, ou LiCPON. De cette manière, non seulement les diverses réactions secondaires indésirables associées au lithium métallique sont évitées, mais une meilleure interface est produite entre l'anode et l'électrolyte.

Les chercheurs ont pu déterminer si leur processus de prélithiation par corrosion à l'état solide fonctionnait comme prévu via l'imagerie optique, la microscopie électronique et la diffraction des rayons X, trois méthodes différentes de visualisation des réactions électrochimiques en temps réel. La technique a donné un coup de pouce à l'anode de près de 83 % par rapport à une électrode de prélithiation utilisant un électrolyte liquide.

Après avoir prouvé leur concept sur les « piles boutons » - des batteries à petite échelle destinées à la recherche et au développement de batteries de laboratoire, les chercheurs veulent maintenant démontrer le processus avec des batteries de qualité industrielle.

Plus d'information: Yan Qiao et al, Corrosion à l'état solide du lithium pour la prélithiation de l'anode composite SiOx-C avec de l'oxynitrure de phosphore au lithium incorporé au carbone, Nano Research (2022). DOI : 10.1007/s12274-022-5290-6