Des chercheurs de l’université Rice ont mis au point une méthode évolutive pour améliorer la durée de vie des batteries lithium-ion en utilisant la prélithiation, un processus qui recouvre les anodes en silicium de particules de lithium métal stabilisées, améliorant ainsi la durée de vie des batteries jusqu’à 44 %.
Des ingénieurs de l’université Rice réalisent des avancées dans le domaine de la prélithiation et élucident le mécanisme de piégeage du lithium.
Le potentiel des batteries à anode de silicium pour transformer les solutions de stockage d’énergie est essentiel pour atteindre les objectifs climatiques et exploiter pleinement les capacités des véhicules électriques.
Néanmoins, la perte persistante d’ions lithium dans les anodes en silicium constitue un obstacle important au développement des batteries lithium-ion de la prochaine génération.
Des scientifiques de la George R. Brown School of Engineering de l’Université Rice ont mis au point une méthode facilement extensible pour optimiser la prélithiation, un processus qui permet d’atténuer la perte de lithium et d’améliorer les cycles de vie des batteries en recouvrant les anodes en silicium de particules métalliques de lithium stabilisées (SLMP).
Quan Nguyen (à gauche), Sibani Lisa Biswal et leurs collaborateurs ont mis au point une technique de prélithiation qui permet d’améliorer les performances des batteries lithium-ion dotées d’anodes en silicium. Crédit : Jeff Fitlow/Université de Rice
Le laboratoire de l’ingénieure chimique et biomoléculaire Sibani Lisa Biswal, de l’université Rice, a découvert que l’application par pulvérisation sur les anodes d’un mélange de particules et d’un surfactant améliorait la durée de vie des batteries de 22 % à 44 %. Les cellules de batterie recouvertes d’une plus grande quantité de revêtement ont d’abord atteint une plus grande stabilité et une meilleure durée de vie. Cependant, il y avait un inconvénient : Lors d’un cycle à pleine capacité, une plus grande quantité de revêtement de particules a entraîné un piégeage plus important du lithium, ce qui a provoqué un affaiblissement plus rapide de la batterie au cours des cycles suivants.
L’étude est publiée dans ACS Applied Energy Materials.
Le remplacement du graphite par du silicium dans les batteries lithium-ion améliorerait considérablement leur densité énergétique ⎯ 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 quatre ions lithium.
Quan Nguyen est un ancien doctorant en génie chimique et biomoléculaire et l’auteur principal de l’étude. Crédit : Jeff Fitlow/Université de Rice
« Le silicium est l’un de ces matériaux qui ont la capacité d’améliorer réellement la densité énergétique du côté de l’anode des batteries lithium-ion », a déclaré M. Biswal. « C’est pourquoi la science des batteries cherche actuellement à remplacer les anodes en graphite par des anodes en silicium.
Cependant, le silicium possède d’autres propriétés qui posent des problèmes.
« L’un des principaux problèmes du silicium est qu’il forme continuellement ce que nous appelons une couche d’interphase solide-électrolyte (SEI) qui consomme en fait du lithium », a déclaré M. Biswal.
Cette couche se forme lorsque l’électrolyte d’une cellule de batterie réagit avec les électrons et les ions lithium, ce qui entraîne le dépôt d’une couche de sels à l’échelle nanométrique 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 au cours des cycles de charge et de décharge suivants et, en se reformant, il épuise de manière irréversible la réserve de lithium de la batterie.
Quan Nguyen (à gauche) et Sibani Lisa Biswal. Crédit : Jeff Fitlow/Université de Rice
« Le volume d’une anode en silicium varie au fur et à mesure que la batterie est soumise à des cycles, ce qui peut briser le SEI ou le rendre instable », explique Quan Nguyen, diplômé d’un doctorat 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 de la batterie.
La méthode de prélithiation mise au point par Biswal et son équipe améliore la stabilité de la couche SEI, ce qui signifie que moins d’ions lithium sont éliminés lors de sa formation.
« La prélithiation est une stratégie conçue pour compenser la perte de lithium qui se produit généralement avec le silicium », explique Biswal. « On peut l’assimiler à l’application d’une couche d’apprêt sur une surface, comme lorsque vous peignez un mur et que vous devez d’abord appliquer une sous-couche pour vous assurer que la peinture adhère bien. La prélithiation nous permet d’apprêter les anodes pour que les batteries aient une durée de vie beaucoup plus stable et plus longue.
Bien que ces particules et la prélithiation ne soient pas nouvelles, le laboratoire de Biswal a été en mesure d’améliorer le processus de manière à ce qu’il soit facilement incorporé dans les processus de fabrication de batteries existants.
Quan Nguyen tient l’une des batteries assemblées selon le protocole de prélithiation décrit dans l’étude. Crédit : Jeff Fitlow/Université de Rice
« L’un des aspects du processus qui est définitivement nouveau et que Quan a développé est l’utilisation d’un surfactant pour aider à disperser les particules », a déclaré Biswal. « Cet aspect n’avait jamais été signalé auparavant et c’est ce qui permet d’obtenir une dispersion homogène. Au lieu de s’agglutiner ou de s’accumuler dans différentes poches à l’intérieur de la batterie, elles peuvent être réparties uniformément. »
Nguyen a expliqué que le fait de mélanger les particules avec un solvant sans agent tensioactif ne permet pas d’obtenir un revêtement uniforme. En outre, l’application par pulvérisation s’est avérée plus efficace pour obtenir une distribution uniforme que les autres méthodes d’application sur les anodes.
« La méthode de revêtement par pulvérisation est compatible avec la fabrication à grande échelle », a déclaré M. Nguyen.
Le contrôle de la capacité de cyclage de la cellule est crucial pour le processus.
« Si vous ne contrôlez pas la capacité de cyclage de la cellule, une plus grande quantité de particules déclenchera le mécanisme de piégeage du lithium que nous avons découvert et décrit dans l’article », a déclaré M. Nguyen. « Mais si le cycle de la cellule se fait avec une distribution uniforme du revêtement, le piégeage du lithium ne se produira pas.
« Si nous trouvons des moyens d’éviter le piégeage du lithium en optimisant les stratégies de cyclage et la quantité de SLMP, nous pourrons mieux exploiter la densité énergétique plus élevée des anodes à base de silicium.
Référence : « Prelithiation Effects in Enhancing Silicon-Based Anodes for Full-Cell Lithium-Ion Batteries Using Stabilized Lithium Metal Particles » par Quan Anh Nguyen, Anulekha K. Haridas, Tanguy Terlier et Sibani Lisa Biswal, 1 mai 2023, ACS Applied Energy Materials.
DOI : 10.1021/acsaem.3c00713
Biswal est titulaire de la chaire William M. McCardell de génie chimique à Rice, professeur de science des matériaux et de nano-ingénierie, et doyen associé pour le développement de la faculté.
L’étude a été financée par le programme de recherche universitaire de Ford Motor Co., la National Science Foundation et la Shared Equipment Authority de Rice.