La nouvelle méthode d'amorçage améliore la durée de vie et l'efficacité de la batterie

Les batteries à anode de silicium ont le potentiel de révolutionner les capacités de stockage d'énergie, ce qui est essentiel pour atteindre les objectifs climatiques et libérer le plein potentiel des véhicules électriques.

Cependant, l'épuisement irréversible des ions lithium dans les anodes en silicium constitue une contrainte majeure pour le développement des batteries lithium-ion de nouvelle génération.

Des scientifiques de la George R. Brown School of Engineering de l'Université Rice ont mis au point une méthode facilement évolutive pour optimiser la prélithiation, un processus qui aide à atténuer la perte de lithium et améliore le cycle de vie des batteries en enduisant les anodes de silicium de particules de lithium métallique stabilisées (SLMP).

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 accru du lithium, provoquant une décoloration plus rapide de la batterie au cours des cycles suivants. L'étude est publiée dans ACS Applied Energy Materials.

Remplacer le graphite par du silicium dans les batteries lithium-ion améliorerait considérablement leur densité d'énergie ⎯ la quantité d'énergie stockée par rapport au poids et à la taille ⎯ car le graphite , qui est composé de carbone, peut contenir moins d'ions lithium que le silicium. Il faut six atomes de carbone pour chaque ion lithium, alors qu'un seul atome de silicium peut se lier à jusqu'à quatre ions lithium.

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

Cependant, le silicium a d'autres propriétés qui présentent des défis.

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

La couche se forme lorsque l'électrolyte d'une cellule de batterie réagit avec les électrons et les ions lithium, ce qui donne une couche de sels à l'échelle nanométrique déposée 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 rompre tout au long des cycles de charge et de décharge ultérieurs et, à mesure qu'il se reforme, il épuise encore plus de manière irréversible la réserve de lithium de la batterie.

"Le volume d'une anode en silicium variera au fur et à mesure que la batterie est cyclée, ce qui peut casser le SEI ou le 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 de charge et de décharge ultérieurs 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.

"La prélithiation est une stratégie conçue pour compenser la perte de lithium qui se produit généralement avec le silicium", a déclaré Biswal. "Vous pouvez y penser en termes d'apprêt d'une surface, comme lorsque vous peignez un mur et que vous devez d'abord appliquer une sous-couche pour vous assurer que votre peinture adhère. La prélithiation nous permet d'« apprêter » les anodes afin que les batteries puissent avoir un beaucoup plus stable, cycle de vie plus long."

Bien que ces particules et la prélithiation ne soient pas nouvelles, le laboratoire Biswal a pu améliorer le processus d'une manière qui s'intègre facilement aux processus de fabrication de batteries existants.

"Un aspect du processus qui est définitivement nouveau et que Quan a développé était l'utilisation d'un tensioactif pour aider à disperser les particules", a déclaré Biswal. "Cela n'a jamais été signalé auparavant, et c'est ce qui vous permet d'avoir une dispersion uniforme. Ainsi, au lieu de s'agglutiner ou de s'accumuler dans différentes poches de la batterie, ils peuvent être uniformément répartis."

Nguyen a expliqué que le mélange des particules avec un solvant sans tensioactif n'entraînera pas un revêtement uniforme. De plus, le revêtement par pulvérisation s'est avéré plus efficace pour obtenir une distribution uniforme que d'autres méthodes d'application sur les anodes.

"La méthode de revêtement par pulvérisation est compatible avec une fabrication à grande échelle", a déclaré Nguyen. Le contrôle de la capacité de cyclage de la cellule est crucial pour le processus.

"Si vous ne contrôlez pas la capacité à laquelle vous faites fonctionner la cellule, une quantité plus élevée de particules déclenchera ce mécanisme de piégeage du lithium que nous avons découvert et décrit dans l'article", a déclaré Nguyen. "Mais si vous faites fonctionner la cellule avec une distribution uniforme du revêtement, le piégeage du lithium ne se produira pas.

"Si nous trouvions des moyens d'éviter le piégeage du lithium en optimisant les stratégies de cyclage et la quantité de SLMP, cela nous permettrait de mieux exploiter la densité d'énergie plus élevée des anodes à base de silicium."

Biswal est professeur William M. McCardell de Rice en génie chimique, professeur de science des matériaux et de nano-ingénierie, et doyen associé pour le développement du corps professoral. La recherche a été soutenue par le programme de recherche universitaire de Ford Motor Co., la National Science Foundation (1842494, CBET -1626418) et la Shared Equipment Authority à Rice.

Effets de prélithiation dans l'amélioration des anodes à base de silicium pour les batteries lithium-ion à cellule entière utilisant des particules de lithium métal stabilisées | ACS Matériaux énergétiques appliqués | DOI : 10.1021/acsaem.3c00713 Auteurs : Quan Anh Nguyen, Anulekha K. Haridas, Tanguy Terlier et Sibani Lisa Biswalhttps://doi.org/10.1021/acsaem.3c00713

https://news-network.rice.edu/news/files/2023/05/JWF_0765_1_LG.jpg LÉGENDE : Quan Nguyen (à gauche), Sibani Lisa Biswal et leurs collaborateurs ont développé une technique de prélithiation qui aide à améliorer les performances des batteries lithium-ion avec des anodes en silicium. (Photo de Jeff Fitlow/Rice University) https://news-network.rice.edu/news/files/2023/05/JWF_0695_2_LG.jpg LÉGENDE : Quan Nguyen est diplômé d'un doctorat en ingénierie chimique et biomoléculaire et auteur principal de l'étude . (Photo de Jeff Fitlow/Rice University)https://news-network.rice.edu/news/files/2023/05/JWF_0724_3_LG.jpg LÉGENDE : Quan Nguyen (à gauche) et Sibani Lisa Biswal. (Photo de Jeff Fitlow/Rice University)https://news-network.rice.edu/news/files/2023/05/JWF_0752_4_LG.jpg LÉGENDE : Quan Nguyen tient l'une des batteries assemblées à l'aide du protocole de prélithiation décrit dans l'étude . (Photo de Jeff Fitlow/Rice University)

La NSF soutient Biswal pour concevoir des nanofluides pour réduire l'utilisation de solvants dangereux : https://chbe.rice.edu/news/nsf-backs-biswal-devise-nanofluids-reducing-use-dangerous-solvents Les joints de grains suivent le flux : https ://news.rice.edu/news/2022/grain-boundaries-go-flow Le brossage de films minces sur les électrodes préserve les batteries : https://news.rice.edu/news/2022/brushing-thin-films-electrodes- conserves-piles

Groupe de recherche Biswal : https://www.ruf.rice.edu/~biswalab/Biswal_Research_Group/Welcome.html

Génie chimique et biomoléculaire : https://chbe.rice.edu

École d'ingénierie George R. Brown : https://engineering.rice.edu

Située sur un campus boisé de 300 acres à Houston, la Rice University est régulièrement classée parmi les 20 meilleures universités du pays par US News & World Report. Rice a des écoles très respectées d'architecture, de commerce, d'études permanentes, d'ingénierie, de sciences humaines, de musique, de sciences naturelles et de sciences sociales et abrite le Baker Institute for Public Policy. Avec 4 552 étudiants de premier cycle et 3 998 étudiants des cycles supérieurs, le ratio étudiants de premier cycle / professeurs de Rice est légèrement inférieur à 6 pour 1. Son système de collèges résidentiels crée des communautés soudées et des amitiés pour la vie, une des raisons pour lesquelles Rice est classée n ° 1 pour de nombreuses interactions race / classe et n ° 4 pour la qualité de vie par le Princeton Review. Le riz est également classé comme le meilleur rapport qualité-prix parmi les universités privées par Kiplinger's Personal Finance.