​Par Caroline Keller
Synthèse, Structure et Propriétés de Matériaux Fonctionnels (STEP)
Liten - Département de l'Électricité et de l'Hydrogène pour les Transports (DEHT)

Les nanofils de silicium ont déjà démontré leurs excellentes performances en tant que matériaux d’électrode pour les batteries lithium-ion : le silicium permet d’augmenter significativement la densité d’énergie, et sa nanostructuration sous forme de fils résout une partie des problèmes qui lui sont associés ; lors de sa lithiation, le silicium gonfle jusqu’à environ quatre fois son volume, ce qui conduit à des pertes irréversibles dans l’accumulateur électrochimique. La nanostructuration limite les phénomènes de craquèlement des particules, et la forme unidimensionnelle permet de maintenir une bonne cohésion et connexion du matériau.
Les méthodes de synthèse associées à ces matériaux restent coûteuses, et rendent difficilement envisageable une utilisation dans des batteries commerciales. Cette thèse s’appuie sur une méthode de synthèse innovante développée et brevetée au laboratoire SyMMES de Grenoble, en 2015. Elle permet de faire croître des nanofils de silicium en poudre, facilitant ainsi leur intégration dans les cellules électrochimiques. Elle s’appuie sur la croissance dans un réacteur fermé, contenant une poudre support (parfois sacrificielle), le catalyseur et la source de silicium (le plus souvent une huile de diphénylsilane, facilement manipulable en laboratoire).
Cette méthode est travaillée et optimisée afin de répondre aux enjeux des batteries lithium-ion ; stabilité des électrodes, augmentation de la densité d’énergie, et problématiques de puissance. La synthèse est étudiée afin de faire varier le diamètre des nanofils, et les implications en électrochimie sont discutées. De même, deux catalyseurs différents sont employés pour la croissance des nanofils de silicium. Là encore, les conséquences sont discutées en cellule électrochimique. Un net progrès des performances électrochimiques a été atteint grâce à l’introduction de graphite dans la croissance, ce qui a permis de synthétiser un nanocomposite Si/C innovant en one-pot. Le matériau résultant est finement caractérisé, et les répercussions des nano- et microstructures de ces composites sont étudiées par diffusion des rayons X aux petits et grands angles, operando au synchrotron.