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Fait marquant

Pour que les nanoparticules de silicium vous emmènent loin, n’hésitez pas à les doper au graphène !


Les batteries Li-ions sont considérées comme les meilleurs candidats pour les véhicules électriques. En ajoutant du graphène comme additif conducteur à des électrodes de batteries à base de nanoparticules de silicium (SiNP), une équipe d’Inac/SCIB associée à des chercheurs de l’Institut des Matériaux de Nantes ont montré qu’il était possible d’augmenter fortement la durée de vie de ces électrodes qui peuvent stocker 10 fois plus d’énergie que les systèmes actuels.

Publié le 12 novembre 2013

Les électrodes de batteries Li-ion à base de SiNP présentent une capacité spécifique environ 10 fois supérieure à celle des électrodes actuelles à base de graphite. Le problème est qu’au cours d’un cycle de charge et de décharge, la taille des particules de Si varie d’un facteur 3 en raison de l’insertion du lithium. Cela induit des contraintes mécaniques et chimiques au niveau des électrodes qui sont responsables de la dégradation rapide (quelques cycles) des propriétés exceptionnelles de ces batteries. L’ajout de graphène, à la place du noir de carbone généralement utilisé pour constituer ces électrodes, agit à plusieurs niveau : la structure 2D du graphène lui permet de mieux suivre les variations de taille des SiNP, ainsi les feuilles de graphène connectent mieux électriquement les SiNPs à l’électrode. De plus, le graphène en « enrobant » les SiNP les protège du contact direct avec l’électrolyte, ralentissant les phénomènes de vieillissement « chimiques » des électrodes. 
Résultat : une électrode de très forte capacité (2000 mAh/g) après plus de 200 cycles, soit un des meilleurs résultats obtenu jusqu’à présent dans la littérature. Cerise sur le gâteau, bien que ce travail soit très fondamental, les résultats ont été obtenus avec des « grammages » (masse de matière active par unité de surface) d’électrode représentatifs de batteries commerciales.


Images SEM d'électrodes composites à base de Si utilisant du carbone noir (a) et du rGO (b) en tant qu'additif conducteur;
Charge - capacité de décharge en fonction du nombre de cycles de la batterie rGO ainsi que de la variation de sa tension de décharge moyenne.

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