Des batteries plus légères et durables dans la prochaine année grâce aux anodes en Silicium

Zhongwei Chen

Des batteries substantiellement plus petites et durables pour toute sorte d’applications, des appareils électroniques aux voitures, pourraient devenir une réalité grâce à une technologie innovatrice développée par des chercheurs de l’Université de Waterloo.

Zhongwe Chen, un professeur de génie chimique à Waterloo, et une équipe d'étudiants diplômés ont créé une batterie à faible coût utilisant du silicium qui augmente les performances et la durée de vie de batteries lithium-ion. Leurs résultats sont publiés dans le dernier numéro de Nature Communications.

La technologie de cette batterie au silicium promet une augmentation de 40 à 60% de la densité d'énergie, ce qui est important pour les dispositifs électroniques portables.

La technologie, respectueuse de l'environnement, pourrait également apporter des améliorations dramatiques pour les  véhicules hybrides et électriques. Les résultats pourraient signifier une voiture électrique avec une autonomie de 500 kilomètres entre deux charges et des batteries plus légères, plus petites qui réduiraient considérablement le poids global de ces véhicules.

Les batteries lithium-ion actuelles utilisent normalement des anodes en graphite. Les ingénieurs de Waterloo ont trouvé que les matériaux d'anode au silicium ont une capacité beaucoup plus élevée pour le lithium et sont capables de produire des piles avec près de 10 fois plus d'énergie.

"Le graphite a longtemps été utilisé pour construire les électrodes négatives des batteries au lithium-ion," a déclaré le professeur Chen, de la Chaire de recherche du Canada en matériaux avancés pour l'énergie propre et un membre de l'Institut de nanotechnologie de Waterloo et de l'Institut de Waterloo pour l'énergie durable. "Mais, alors que les piles s’améliorent, le graphite est en train de devenir un goulot d'étranglement pour la performance en raison de la quantité limitée d'énergie qu'il peut stocker."

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Le défi le plus critique auquel les chercheurs Waterloo ont été confrontés quand ils ont commencé à produire des batteries utilisant le silicium, était la perte d'énergie qui se produit lorsque le silicium se contracte puis élargit par autant que 300% à chaque cycle de charge. L'augmentation et la diminution du volume de silicium forme des fissures qui réduisent les performances de la batterie, créent des courts-circuits, et éventuellement cause l’arrêt de fonctionnement de la batterie.

Pour surmonter ce problème, l'équipe du professeur Chen avec le Centre de recherche et développement mondial General Motors a développé un traitement thermique flash pour les électrodes au lithium-ion à base de silicium transformé qui minimise l'expansion du volume tout en augmentant la capacité des batteries lithium-ion et leur résistance aux cycles de charge-décharge.

"Le traitement thermique flash économique crée des structures de matériaux d'anode de silicium uniques qui offrent un cycle de vie étendu à plus de 2000 cycles avec une capacité d'énergie accrue de la batterie," a déclaré le professeur Chen.

Le professeur Chen prévoit de commercialiser cette technologie et s’attend à voir de nouvelles batteries sur le marché dans la prochaine année.

Source: Université de Waterloo

Collaboration: Emmanuel Huybrechts