La nouvelle méthode d'amorçage améliore la durée de vie de la batterie jusqu'à 44 %

Par Rice University8 juillet 2023

Des chercheurs de l'Université Rice ont développé une méthode évolutive pour améliorer la durée de vie des batteries lithium-ion en utilisant la prélithiation, un processus qui recouvre les anodes de silicium avec des particules métalliques de lithium stabilisées, améliorant ainsi la durée de vie de la batterie jusqu'à 44 %.

Le potentiel des batteries à anode de silicium pour transformer les solutions de stockage d’énergie est essentiel pour atteindre les objectifs climatiques et exploiter pleinement les capacités des véhicules électriques.

Néanmoins, la perte persistante d’ions lithium dans les anodes en silicium constitue un obstacle important au développement de batteries lithium-ion de nouvelle génération.

Des scientifiques de la George R. Brown School of Engineering de l'Université Rice ont développé une méthode facilement évolutive pour optimiser la prélithiation, un processus qui contribue à atténuer la perte de lithium et à améliorer les cycles de vie des batteries en recouvrant les anodes de silicium de particules métalliques de lithium stabilisées (SLMP).

Quan Nguyen (à gauche), Sibani Lisa Biswal et leurs collaborateurs ont développé une technique de prélithiation qui contribue à améliorer les performances des batteries lithium-ion dotées d'anodes en silicium. Crédit : Jeff Fitlow/Université Rice

Le laboratoire Rice de l'ingénieur chimiste et biomoléculaire Sibani Lisa Biswal a découvert que le revêtement par pulvérisation des anodes avec un mélange de particules et d'un tensioactif améliore la durée de vie de la batterie de 22 à 44 %. Les cellules de batterie avec une plus grande quantité de revêtement ont initialement atteint une stabilité et une durée de vie plus élevées. Cependant, il y avait un inconvénient : lors d'un cycle à pleine capacité, une plus grande quantité de revêtement de particules entraînait un piégeage plus important du lithium, provoquant une décoloration plus rapide de la batterie lors des cycles suivants.

L'étude est publiée dans ACS Applied Energy Materials.

Replacing graphite with silicon in lithium-ion batteries would significantly improve their energy density ⎯ the amount of energy stored relative to weight and size ⎯ because graphite, which is made of carbon, can pack fewer lithium ions than silicon. It takes six carbon atoms for every single lithium-ion, while just one silicon atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">L'atome peut se lier avec jusqu'à quatre ions lithium.

Quan Nguyen est un ancien doctorant en génie chimique et biomoléculaire et auteur principal de l'étude. Crédit : Jeff Fitlow/Université Rice

"Le silicium est l'un de ces matériaux qui a la capacité d'améliorer réellement la densité énergétique du côté anode des batteries lithium-ion", a déclaré Biswal. "C'est pourquoi la science des batteries s'efforce actuellement de remplacer les anodes en graphite par des anodes en silicium."

Cependant, le silicium possède d’autres propriétés qui présentent des défis.

"L'un des problèmes majeurs du silicium est qu'il forme continuellement ce que nous appelons une interphase à électrolyte solide ou couche SEI qui consomme en réalité du lithium", a déclaré Biswal.

La couche se forme lorsque l’électrolyte d’une cellule de batterie réagit avec des électrons et des ions lithium, ce qui entraîne le dépôt d’une couche de sels à l’échelle nanométrique sur l’anode. Une fois formée, la couche isole l'électrolyte de l'anode, empêchant la réaction de se poursuivre. Cependant, le SEI peut se briser au cours des cycles de charge et de décharge ultérieurs et, à mesure qu'il se reforme, il épuise encore davantage la réserve de lithium de la batterie de manière irréversible.

Quan Nguyen (à gauche) et Sibani Lisa Biswal. Crédit : Jeff Fitlow/Université Rice

"Le volume d'une anode en silicium varie à mesure que la batterie est cyclée, ce qui peut briser le SEI ou la rendre instable", a déclaré Quan Nguyen, ancien doctorant en génie chimique et biomoléculaire et auteur principal de l'étude. "Nous voulons que cette couche reste stable tout au long des cycles ultérieurs de charge et de décharge de la batterie."

La méthode de prélithiation développée par Biswal et son équipe améliore la stabilité de la couche SEI, ce qui signifie que moins d'ions lithium sont épuisés lors de sa formation.