Trouver un moyen d'augmenter la capacité des batteries lithium-ion de 10 fois

Partout dans le monde, des dizaines de groupes scientifiques recherchent des options pour augmenter considérablement la capacité des batteries lithium-ion. L'introduction du silicium dans la structure est considérée comme une direction prometteuse, mais sa fragilité, la fragilité des composés à base de celui-ci et d'autres problèmes ne l'ont pas permis pendant longtemps.

Mais il semble que des scientifiques japonais aient réussi à trouver une solution au problème du silicium. Ils ont proposé une nouvelle conception de l'anode faite d'arcs de silicium de taille nanométrique, qui donnent la force et la durabilité nécessaires.

Les batteries lithium-ion modernes et leurs inconvénients

Donc, pour commencer, quelques mots sur le fonctionnement des batteries lithium-ion. Ainsi, comme vous le savez, une batterie se compose d'une paire d'électrodes (cathode et anode) et d'une solution électrolytique. La tâche principale de l'électrolyte est donc le transfert des ions lithium entre la cathode et l'anode, qui est juste en graphite.

Ainsi, pendant le chargement de la batterie, les ions lithium se déplacent le long du trajet cathode-solution-anode. Lors du processus de décharge, les ions se déplacent dans la direction opposée.

Cette conception a fait ses preuves et a fonctionné pendant plus d'une douzaine d'années. Mais le principal inconvénient de toute cette conception déboguée réside dans le fait que six atomes de carbone doivent être utilisés à la fois dans l'anode en graphite pour stocker un ion lithium. Pour cette raison, ces batteries ont une faible densité d'énergie.

Silicium et ses applications

Néanmoins, si nous regardons un matériau tel que le silicium, l'un de ses atomes est capable de se lier avec quatre ions lithium à la fois, ce qui donne une augmentation de presque 10 fois la densité d'énergie. Tout semble aller bien, mais les scientifiques n'ont toujours pas été en mesure de stabiliser le silicium.

Puisqu'il est sujet à une expansion significative (jusqu'à 400% du volume d'origine), des contractions et rupture pendant le fonctionnement de la batterie, puis tous ces effets de déformation détruisent les anodes en silicium assez rapide.

Une équipe de recherche de l’Okinawa Institute of Graduate Technology and Technology (OSIT) a proposé une solution au problème de la stabilisation des anodes en silicium. Les ingénieurs ont réalisé toute une série d'expériences avec des couches de silicium de différentes épaisseurs à la recherche d'un milieu en or, dans lequel les conditions de haute densité d'énergie et de stabilité de la batterie seront réunies.

Les scientifiques ont découvert qu'à mesure que la couche de silicium augmente, il y a d'abord une augmentation de la rigidité, et après un certain point, il y a une forte diminution. Il a été décidé d'étudier plus en détail la raison d'une telle transition, et c'est ce que les scientifiques ont pu établir.

Il s'est avéré que lorsque du silicium est déposé sur des nanoparticules métalliques, de minuscules piliers en forme de cônes inversés commencent à se former, s'épaississant vers le haut.

Il s'avère qu'avec le dépôt d'un nombre croissant d'atomes de silicium et, par conséquent, la croissance des piliers, ils deviennent si larges qu'ils se touchent et forment ainsi une structure arquée d'un nanomètre escalader.

Une telle structure est assez solide et même utilisée par les humains dans la construction. Et il s'avère qu'avant la formation de ces nano arcs, la structure est plutôt faible et leur croissance encore plus grande crée une structure spongieuse avec des trous, ce qui n'est pas si efficace.

Et ce n'est qu'au moment de la formation de telles arches qu'un équilibre est créé, ce qui permet de fournir une capacité de charge accrue et est capable de supporter un grand nombre de cycles de charge / décharge.

On ne sait pas encore quand les nouvelles batteries lithium-ion avec une anode en silicium seront mises en vente, mais le fait que cette direction soit prometteuse peut déjà être reconnu à ce stade.

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