Les chercheurs de POSTECH ont développé une batterie lithium-ion révolutionnaire avec des microparticules de silicium et des électrolytes polymères en gel, améliorant considérablement la densité et la stabilité énergétiques. Cette innovation répond aux problèmes d’expansion du silicium et pourrait conduire à des véhicules électriques avec une durée de vie et une efficacité de batterie plus longues.
Lors du Consumer Electronics Show (CES) 2024, l’accent a été mis sur les développements révolutionnaires dans les domaines de l’IA et des soins de santé. Cependant, la technologie des batteries change la donne au cœur de ces innovations, permettant une plus grande efficacité énergétique. Il est important de noter que c’est dans les véhicules électriques que cette technologie est appliquée le plus intensément.
Les véhicules électriques d’aujourd’hui peuvent parcourir environ 700 km avec une seule charge, tandis que les chercheurs visent une autonomie de batterie de 1 000 km. Les chercheurs explorent avec ferveur l’utilisation du silicium, connu pour sa capacité de stockage élevée, comme matériau d’anode dans les batteries lithium-ion pour véhicules électriques. Cependant, malgré son potentiel, la mise en pratique du silicium reste un casse-tête que les chercheurs s’efforcent encore de reconstituer.
Percée dans la technologie des batteries à base de silicium
Entrez le professeur Soojin Park, le doctorant Minjun Je et le Dr Hye Bin Son du département de chimie de l’Université des sciences et technologies de Pohang (POSTECH). Ils ont déchiffré le code en développant un système de batterie Li-ion de nouvelle génération à haute densité d’énergie, convivial et solide comme le roc, utilisant des microparticules de silicium et des électrolytes polymères en gel. Ce travail a été récemment publié dans la revue Science avancée.
Les défis liés au silicium comme matériau de batterie
L’utilisation du silicium comme matériau de batterie présente des défis : il se dilate plus de trois fois pendant la charge, puis reprend sa taille d’origine pendant la décharge, ce qui a un impact significatif sur l’efficacité de la batterie. Utilisant du silicium de taille nanométrique (10-9m) résout en partie le problème, mais le processus de production sophistiqué est complexe et astronomiquement coûteux, ce qui en fait une proposition budgétaire difficile.
Formation de liaison covalente entre le micro-silicium et l’électrolyte gel via un processus par faisceau d’électrons. Crédit : POSTECH
En revanche, le silicium de taille micrométrique (10-6m) est extrêmement pratique en termes de coût et de densité énergétique. Cependant, le problème d’expansion des plus grosses particules de silicium devient plus prononcé pendant le fonctionnement de la batterie, ce qui pose des limites à son utilisation comme matériau d’anode.
Innovations dans les électrolytes polymères en gel
L’équipe de recherche a appliqué des électrolytes polymères en gel pour développer un système de batterie à base de silicium à la fois économique et stable. L’électrolyte d’une batterie lithium-ion est un composant crucial, facilitant le mouvement des ions entre la cathode et l’anode. Contrairement aux électrolytes liquides conventionnels, les électrolytes en gel existent à l’état solide ou en gel, caractérisés par une structure polymère élastique qui présente une meilleure stabilité que leurs homologues liquides.
Améliorer les performances de la batterie avec le micro-silicium
L’équipe de recherche a utilisé un faisceau d’électrons pour former des liaisons covalentes entre des particules de micro-silicium et des électrolytes en gel. Ces liaisons covalentes servent à disperser les contraintes internes provoquées par l’expansion du volume pendant le fonctionnement de la batterie lithium-ion, atténuant ainsi les changements de volume du micro-silicium et améliorant la stabilité structurelle.
Le résultat a été remarquable : la batterie a montré des performances stables, même avec des microparticules de silicium (5 μm), cent fois plus grosses que celles utilisées dans les anodes traditionnelles en nano-silicium. De plus, le système électrolyte silicium-gel développé par l’équipe de recherche a présenté une conductivité ionique similaire à celle des batteries conventionnelles utilisant des électrolytes liquides, avec une amélioration d’environ 40 % de la densité énergétique. De plus, le système de l’équipe présente une valeur significative en raison de son processus de fabrication simple et prêt à être appliqué immédiatement.
Le professeur Soojin Park a souligné : « Nous avons utilisé une anode en micro-silicium, mais nous disposons d’une batterie stable. Cette recherche nous rapproche d’un véritable système de batterie lithium-ion à haute densité énergétique.
Cette étude a été menée avec le soutien du Programme de chercheurs indépendants de la Fondation nationale de recherche de Corée.
