Si l’IA était en vedette lors du dernier CES 2024, la technologie des batteries a gagné le coup de cœur du jury. Récemment, les chercheurs ont réalisé une étude sur un gel ayant la capacité de pousser l’autonomie des battéries des véhicules électriques à plus de 1 000 km. Et cela en une seule charge.
D’après leur représentant, il s’agirait d’une matière appelée Silicium dont la réputation relève de sa capacité élevée de stockage. Ils utiliseraient cependant ce matériau en tant qu’anode dans des batteries lithium-ion. Malgré tout, cela demeure une expérience. Les chercheurs semblent encore se confronter à des blocages au niveau de la mise en pratique du silicium. Mais deux d’entre eux ont trouvé la solution.
Une équipe de POSTECH brise les barrières du silicium pour une performance exceptionnelle
Le professeur Soojin Park, le candidat au doctorat Minjun Je et le docteur Hye Bin Son du département de chimie de l’université des sciences et technologies de Pohang (POSTECH) ont résolu ce défi en développant une nouvelle génération de système de batterie Li-ion. Cette technologie offre une densité énergétique élevée, une portabilité facile et une robustesse exceptionnelle, en utilisant des micro-particules de silicium et des électrolytes à base de polymère gélifié.
L’emploi du silicium en tant que matériau de batterie pour véhicules électriques présente des défis majeurs. Pendant la charge, il subit une expansion de plus de trois fois. Puis il se contracte pour retrouver sa taille initiale lors de la décharge. Ce qui impacte significativement l’efficacité de la batterie. Oui, l’utilisation de silicium à l’échelle nanométrique (10-9m) représente une solution partielle à ce problème. Mais le processus de production sophistiqué est complexe et engendre des coûts astronomiques. Cette option serait donc plus exigeante financièrement.
En contrastant, le recours au silicium de taille micro (10-6m) se révèle hautement économique et présente une densité énergétique appréciable. Néanmoins, le problème d’expansion des particules de silicium de plus grande taille devient plus prononcé pendant le fonctionnement de la batterie. C’est ce qui impose des limites à son utilisation en tant que matériau d’anode.
Une amélioration de 40 % par rapport aux batteries classiques
L’équipe de recherche a alors mis au point une batterie au silicium économique et stable pour les véhicules électriques en utilisant des électrolytes polymères sous forme de gel. Dans une batterie lithium-ion, l’électrolyte est un composant essentiel qui permet la circulation des ions entre la cathode et l’anode. À la différence des électrolytes liquides classiques, les électrolytes gélifiés adoptent un état solide ou gélatineux. Ils présentent une structure polymérique élastique offrant une plus grande stabilité comparativement à leurs équivalents liquides
Les chercheurs ont utilisé un faisceau d’électrons afin de créer des liaisons covalentes entre les microparticules de silicium et l’électrolyte gélifié. Le rôle de ces liaisons covalentes est de dissiper les contraintes internes générées par la dilatation volumétrique du silicium au cours du fonctionnement de la batterie lithium-ion. En effet, elles atténuent les variations de volume du micro-silicium et améliorent la stabilité structurelle de l’ensemble.
Les résultats obtenus sont remarquables ! Les performances de la batterie se sont avérées stables. Cela malgré l’utilisation de microparticules de silicium de taille très supérieure (5 μm) aux nanoparticules de silicium employées traditionnellement dans les anodes.
De plus, le système d’électrolyte sous forme de gel mis au point par les chercheurs présente une conductivité ionique équivalente à celle des batteries classiques à électrolytes liquides. Une amélioration d’environ 40% de la densité énergétique a même été constatée. Autre atout de taille : ce système innovant a l’avantage d’un processus de fabrication simple et directement applicable.
« Malgré l’utilisation d’une anode en micro-silicium, nous sommes parvenus à développer une batterie remarquablement stable. Ces résultats nous rapprochent de la concrétisation d’une batterie lithium-ion à très haute densité énergétique », a insisté le Professeur Soojin Park.
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