Une nouvelle batterie semi-conductrice surprend les chercheurs qui l'ont créée

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Sep 27, 2021, 01:55 ET

Les ingénieurs créent une batterie haute performance semi-conductrices avec une anode en silicium pur

SÉOUL, Corée du Sud, 27 septembre 2021 /PRNewswire/ -- Les ingénieurs ont créé un nouveau type de batterie qui réunit deux sous-domaines prometteurs en une seule batterie. La batterie utilise à la fois un électrolyte semi-conducteur et une anode entièrement en silicium, ce qui en fait une batterie entièrement à semi-conducteurs en silicium. Les premières séries de tests montrent que la nouvelle batterie est sûre, durable et à haute densité énergétique. Il est prometteur pour un large éventail d'applications, du stockage sur réseau aux véhicules électriques.

La technologie des batteries est décrite dans le numéro du 24 septembre 2021 de la revue Science. Des nano-ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego ont dirigé les recherches, en collaboration avec des chercheurs de LG Energy Solution.

Les anodes en silicium sont réputées pour leur densité énergétique, qui est 10 fois supérieure à celle des anodes en graphite le plus souvent utilisées dans les batteries lithium-ion commerciales actuelles. D'autre part, les anodes en silicium sont tristement célèbres pour leur dilatation et leur contraction lors de la charge et de la décharge de la batterie, ainsi que pour leur dégradation au contact d'électrolytes liquides. Ces difficultés ont empêché les anodes entièrement en silicium d'être utilisées dans les batteries commerciales au lithium-ion, malgré leur séduisante densité énergétique. Les nouveaux travaux publiés dans Science offrent une voie prometteuse pour les anodes entièrement en silicium, grâce au bon électrolyte.

« Avec cette configuration de batterie, nous ouvrons un nouveau territoire pour les batteries semi-conductrices utilisant des anodes en alliage comme le silicium », a déclaré Darren H. S. Tan, l'auteur principal de l'article. Il a récemment obtenu son doctorat en génie chimique à la Jacobs School of Engineering de l'UC San Diego et a cofondé une startup, UNIGRID Battery, qui a obtenu une licence pour cette technologie.

La future génération de batteries semi-conductrices à haute densité d'énergie a toujours reposé sur le lithium métallique comme anode. Mais cela impose des restrictions sur les taux de charge de la batterie et la nécessité d'une température élevée (généralement 60 degrés Celsius ou plus) pendant la charge. L'anode de silicium surmonte ces limites, permettant des taux de charge beaucoup plus rapides à des températures ambiantes basses, tout en maintenant des densités d'énergie élevées.

L'équipe a fait la démonstration en laboratoire d'une batterie qui permet d'effectuer 500 cycles de charge et de décharge avec une conservation de 80 % de la capacité à température ambiante, ce qui représente un progrès passionnant pour les communautés des anodes en silicium et des batteries semi-conductrices.

Le silicium comme anode pour remplacer le graphite

Les anodes en silicium, bien sûr, ne sont pas nouvelles. Pendant des décennies, les scientifiques et les fabricants de batteries ont considéré le silicium comme un matériau à forte densité énergétique à mélanger avec les anodes en graphite conventionnelles des batteries lithium-ion, voire à les remplacer complètement. Théoriquement, le silicium offre environ dix fois la capacité de stockage du graphite. Dans la pratique, cependant, les batteries lithium-ion auxquelles on a ajouté du silicium à l'anode pour augmenter la densité d'énergie souffrent généralement de problèmes de performances dans des conditions réelles : en particulier, le nombre de fois que la batterie peut être chargée et déchargée tout en maintenant ses performances n'est pas assez élevé.

Une grande partie du problème est causée par l'interaction entre les anodes de silicium et les électrolytes liquides avec lesquels elles ont été couplées. La situation est rendue plus complexe par la forte expansion du volume des particules de silicium pendant la charge et la décharge. Cela entraîne de graves pertes de capacité au fil du temps.

« En tant que chercheurs sur les batteries, il est essentiel de s'attaquer aux problèmes fondamentaux du système. Pour les anodes en silicium, nous savons que l'un des principaux problèmes est l'instabilité de l'interface de l'électrolyte liquide », a déclaré Shirley Meng, professeur de nano-ingénierie à UC San Diego, auteur correspondant de l'article de Science et directeur de l'Institute for Materials Discovery and Design à UC San Diego. « Nous avions besoin d'une approche totalement différente », a déclaré Meng.

En effet, l'équipe dirigée par l'UC San Diego a adopté une approche différente : elle a éliminé le carbone et les liants pour passer à des anodes entièrement en silicium. En outre, les chercheurs ont utilisé du micro-silicium, qui est moins transformé et moins cher que le nano-silicium plus souvent utilisé.

Une solide solution

En plus de retirer tout le carbone et les liants de l'anode, l'équipe a également retiré l'électrolyte liquide. Ils ont plutôt utilisé un électrolyte solide à base de sulfure. Leurs expériences ont montré que cet électrolyte solide est extrêmement stable dans les batteries avec des anodes entièrement en silicium.

« Ce nouveau travail offre une solution prometteuse au problème de l'anode de silicium, bien qu'il reste encore du travail à faire », a déclaré le professeur Shirley Meng, « Je vois ce projet comme une validation de notre approche de la recherche sur les batteries ici à l'UC San Diego. Nous associons les travaux théoriques et expérimentaux les plus rigoureux à la créativité et à une réflexion hors des sentiers battus. Nous savons aussi comment interagir avec les partenaires de l'industrie tout en relevant des défis fondamentaux difficiles. »

Les efforts passés pour commercialiser des anodes en alliage de silicium se sont principalement concentrés sur les composites silicium-graphite, ou en combinant des particules nanostructurées avec des liants polymères. Mais ils ont toujours été confrontés à une faible stabilité.

En échangeant l'électrolyte liquide contre un électrolyte solide, et en même temps en enlevant le carbone et les liants de l'anode de silicium, les chercheurs ont évité une série de défis connexes qui se posent lorsque les anodes sont trempées dans l'électrolyte liquide organique pendant que la batterie fonctionne.

En même temps, en éliminant le carbone dans l'anode, l'équipe a réduit considérablement le contact interfacial (et les réactions secondaires indésirables) avec l'électrolyte solide, évitant ainsi la perte de capacité continue qui se produit habituellement avec les électrolytes liquides.

Ce mouvement en deux parties a permis aux chercheurs de récolter pleinement les bénéfices des propriétés du silicium à faible coût, à haute énergie et respectueuses de l'environnement.

Impact et Commercialisation des produits dérivés

« L'approche du silicium à l'état solide permet de surmonter de nombreuses limitations des batteries conventionnelles. Il nous offre des occasions intéressantes de répondre à la demande du marché pour une énergie volumétrique plus élevée, des coûts réduits et des batteries plus sûres, en particulier pour le stockage de l'énergie sur le réseau », a déclaré Darren H. S. Tan, le premier auteur de l'article sur la science.

On a souvent cru que les électrolytes solides à base de sulfure étaient très instables. Toutefois, cette démarche était fondée sur les interprétations thermodynamiques traditionnelles utilisées dans les systèmes à électrolyte liquide, qui ne tenaient pas compte de l'excellente stabilité cinétique des électrolytes solides. L'équipe a vu une opportunité d'utiliser cette propriété contre-intuitive pour créer une anode hautement stable.

M. Tan est le PDG et le cofondateur d'UNIGRID Battery ; une startup qui a obtenu une licence pour la technologie de ces batteries entièrement solides en silicium.

En parallèle, des travaux fondamentaux connexes se poursuivront à l'UC San Diego, y compris une collaboration de recherche supplémentaire avec LG Energy Solution.

« LG Energy Solution se réjouit que les dernières recherches sur la technologie des batteries menées en collaboration avec l'UC San Diego aient été publiées dans la revue Science, ce qui constitue une reconnaissance significative », a déclaré Myung-hwan Kim, Président et Directeur Approvisionnements de LG Energy Solution. « Grâce à cette dernière découverte, LG Energy Solution est beaucoup plus proche de la réalisation de techniques de batteries entièrement semi-conductrices, ce qui diversifierait considérablement notre gamme de produits de batteries. »

« En tant que fabricant de batteries de premier plan, LGES poursuivra ses efforts pour favoriser les techniques de pointe dans la recherche de pointe sur les cellules de batteries de la prochaine génération », a ajouté M. Kim. LG Energy Solution a déclaré qu'elle prévoit d'étendre davantage sa collaboration de recherche sur les batteries semi-conductrices avec UC San Diego.

L'étude a été soutenue par le programme LG Energy Solution's open innovation, un programme qui soutient activement la recherche sur les batteries. LGES a travaillé avec des chercheurs du monde entier pour promouvoir des techniques connexes.

Titre de l'article
« Carbon Free High Loading Silicon Anodes Enabled by Sulfide Solid Electrolytes », dans le numéro du 24 septembre 2021 de Science.

Auteurs :
Darren H. S. Tan, Yu-Ting Chen, Hedi Yang, Wurigumula Bao, Bhagath Sreenarayanan, Jean-Marie Doux, Weikang Li, Bingyu Lu, So-Yeon Ham, Baharak Sayahpour, Jonathan Scharf, Erik A. Wu, Grayson Deysher, Zheng Chen et Ying Shirley Meng du département de NanoEngineering, Programme de génie chimique, et Sustainable Power & Energy Center (SPEC) Université de Californie San Diego Jacobs School of Engineering ; Hyea Eun Han, Hoe Jin Hah, Hyeri Jeong, Jeong Beom Lee, de LG Energy Solution, Ltd.

Financement :
Cette étude a été financée par la société LG Energy Solution dans le cadre du programme Battery Innovation Contest (BIC). Z.C. est reconnaissant du financement accordé par le fonds de démarrage de la Jacob School of Engineering de l'Université de Californie à San Diego. Y.S.M. reconnaissant du financement accordé par le Zable Endowed Chair Fund.

À propos de LG Energy Solution
LG Energy Solution est un leader mondial dans le domaine des batteries lithium-ion de pointe pour les véhicules électriques (EV), les applications de mobilité et d'informatique, et les systèmes de stockage d'énergie (ESS). Forte de 30 ans d'expérience dans la technologie avancée des batteries, elle poursuit sa croissance rapide vers la réalisation d'une vie durable. Avec plus de 24 000 employés travaillant au sein de son solide réseau mondial qui s'étend aux États-Unis, en Europe, en Asie et en Australie, LG Energy Solution est plus engagée que jamais dans le développement de technologies innovantes qui rapprocheront l'énergie du futur. Pour en savoir plus, rendez-vous sur le site https://www.lgensol.com.