Cette découverte ouvre la voie aux batteries au silicium à haute densité

Promettant de remplacer avantageusement le graphite, actuellement utilisé par les batteries au lithium, le silicium ne supporte cependant pas aussi bien les cycles successifs de charge/décharge. De récentes observations ont permis aux chercheurs d’en comprendre les raisons et d’identifier des pistes pour éviter cette détérioration rapide.

Un obstacle de taille

Les chercheurs travaillant sur les batteries lithium-ion espèrent incorporer ou remplacer entièrement le graphite utilisé comme composant de l’anode par du silicium, capable de stocker jusqu’à 10 fois plus d’énergie. Cependant, au fil des cycles de charge/décharge, cet élément semi-conducteur a tendance à gonfler, ce qui entraîne la fissuration progressive de l’anode, empêchant à terme la cellule de conserver sa charge. Si plusieurs approches intéressantes ont été proposées pour résoudre ce problème, de récentes observations ont offert une meilleure compréhension des processus impliqués.

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Lorsqu’une batterie fonctionne, les ions de lithium naviguent entre l’anode et l’autre électrode, la cathode, via un électrolyte liquide. Lorsqu’ils pénètrent dans une anode en silicium, ils repoussent les atomes de silicium, ce qui triple voire quadruple le volume de cette dernière. Lorsque les ions de lithium repartent, ils laissent derrière eux des cavités provoquant une défaillance rapide de la batterie.

Pour cette étude présentée dans la revue Nature Nanotechnology, les chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory ont utilisé un microscope électronique à transmission modifié pour enregistrer l’activité moléculaire à l’intérieur d’une batterie au lithium dotée d’une anode en silicium pendant sa charge et sa décharge. Il s’est avéré que les ions de lithium partants créaient des interstices se transformant au fil des cycles en cavités de plus en plus grandes dans lesquelles l’électrolyte liquide s’engouffrait.

Cela avait pour effet de déformer une structure clé sur le bord de l’anode, appelée interphase solide-électrolyte. Les « zones mortes » formées finissant par empêcher l’anode de fonctionner. L’équipe a constaté que ce processus intervenait dès le premier cycle de charge/décharge. Après 36 cycles, la capacité de la batterie à maintenir une charge était considérablement réduite et l’anode détruite après 100 cycles.

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Vers une nouvelle génération de batteries lithium-ion

« Ces observations confirment la nécessité d’isoler le silicium de l’électrolyte liquide », explique Chongmin Wang, co-auteur de l’étude. « Il y a deux façons de le faire. La première repose sur la formation ‘impromptue’ d’une coque dure sur le silicium lors du fonctionnement initial de la batterie, impliquant l’ajustement de la composition de l’électrolyte liquide. On pourrait également appliquer une couche de revêtement intelligent sur le silicium, afin d’empêcher tout contact direct entre ce dernier et l’électrolyte liquide. »

Forts de ces nouvelles connaissances, les chercheurs étudient actuellement les approches les plus efficaces pour résoudre le « problème du silicium » et augmenter significativement les performances des batterie lithium-ion.

« Il est difficile de prévoir combien de temps cela prendra, car nous devons utiliser une couche de ‘revêtement’ sur le silicium assurant à la fois la conduction ionique et électronique et possédant une bonne résistance mécanique », conclut Wang.

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