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Fait marquant

Nanofils de Si sur graphite pour anode de piles au lithium à haute énergie


Le silicium est le candidat le plus prometteur pour augmenter la densité d’énergie dans la prochaine génération de batteries lithium-ion. Les matériaux nanostructurés à base de silicium constituent cependant un défi technologique. Les chercheurs du laboratoire SYMMES et ceux du DEHT au LITEN ont conçu un composite qui offre des performances électrochimiques exceptionnelles. Avec les outils de microscopie du laboratoire MEM, nos travaux permettent de mieux comprendre l'ingénierie prometteuse de ces composites actifs à l'échelle nanométrique et microscopique pour concevoir des anodes efficaces riches en silicium.

Publié le 22 septembre 2020
Les batteries lithium-ion ont aujourd’hui gagné tous les marchés de l’électrique rechargeable… et nous tous, en tant qu’accros du téléphone, conducteurs de voitures ou utilisateurs de visseuses sans fil, nous sommes demandeurs de batteries plus légères tenant plus de cycles de recharge. Pour cela, il faut des matériaux réservoirs de lithium de capacité supérieure : le silicium, le plus prometteur à l’anode, est utilisé dans la prochaine génération de batteries, pour l’instant à faible taux (10 %). Il absorbe jusqu’à 3 fois son volume de lithium lors de la charge, mais cela provoque de multiples mouvements dans l’électrode, et donc un vieillissement accéléré.


L’article publié en septembre 2020 dans ACSNano par des chercheurs du CEA-Grenoble de l’Irig (laboratoires Symmes et MEM) et du Liten, laboratoire technologie batteries du DEHT, montre qu’une partie de ces mouvements délétères peut être réduit en fixant directement le silicium sous forme de nanofils sur des micro-poudres de graphite. Lors de la charge, le graphite et le silicium sont tous deux lithiés. Le graphite absorbe une partie du gonflement du silicium, et maintient la cohésion de l’électrode. Par microscopie en coupe FIB, les auteurs montrent que les plaquettes de graphite, couchées à plat par le procédé d’enduction de l’électrode, orientent le gonflement perpendiculairement à la couche active. Cela évite les fissures lors du dégonflement. Le matériau optimal contenant 1/3 de silicium en masse offre une capacité de 1 Ah/g (optimale pour assurer l’équilibre de la batterie avec les cathodes actuelles) jusqu’à une vitesse de charge de 100 % en 30 minutes. Des progrès sont encore attendus dans la gestion du premier cycle de la batterie.




Légende : Anode de nanofils de Si sur graphite : 87 % de rétention de capacité après 250 cycles.

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