Dans le domaine des batteries, une percée technologique récente pourrait révolutionner l’autonomie des véhicules électriques. Les chercheurs ont exploré l’utilisation de minuscules particules de silicium pour exploiter la capacité de charge élevée des anodes de silicium dans les batteries lithium-ion. Confrontée au problème d’expansion excessive du silicium lors de la charge, lequel peut endommager la batterie, l’équipe a adopté des particules de silicium à l’échelle micrométrique associées à un électrolyte en gel élastique.
Comment fonctionnent les batteries électriques ?
En général, une batterie fonctionne grâce à un processus électrochimique entre deux électrodes (l’anode et la cathode) plongées dans un électrolyte. Lorsque la batterie est connectée à un circuit, des réactions chimiques se produisent entre ces composants, ce qui génère ainsi un flux d’électrons à travers le circuit et crée ainsi un courant électrique.
Les batteries des véhicules électriques sont généralement des batteries lithium-ion, bien que d’autres types de batteries puissent également être utilisés. Dans une batterie lithium-ion, l’anode est souvent composée de graphite, la cathode de dioxyde de cobalt et l’électrolyte est une solution de sels de lithium.
Lorsque la batterie est connectée à un circuit, des réactions chimiques se produisent entre l’anode, la cathode et l’électrolyte. Ces réactions provoquent le déplacement d’ions lithium de l’anode vers la cathode à travers l’électrolyte. En même temps, des électrons sont libérés à l’anode, créant un courant électrique dans le circuit externe. Avec cette approche, les véhicules électriques d’aujourd’hui ont toutefois une autonomie maximale de 480 km en moyenne, ce qui freine encore beaucoup d’usagers de la route.
Le changement fondamental introduit par la nouvelle batterie dont il est ici question repose sur l’utilisation de minuscules particules de silicium pour l’anode.
La promesse d’un gel élastique
Le silicium offre une capacité de charge bien supérieure à celle du graphite traditionnellement utilisé. Cependant, cette matière a tendance à se dilater de manière significative lors de la charge, ce qui peut endommager la batterie. Pour remédier à cela, les chercheurs ont employé des particules de silicium à l’échelle micrométrique mille fois plus grandes que celles à l’échelle nanométrique. En les associant à un électrolyte en gel élastique, ils ont réussi à atténuer les problèmes d’expansion tout en préservant la conductivité.
Dans le détail, ce gel élastique, issu d’un polymère à base de gel irradié par un faisceau d’électrons, forme des liaisons covalentes avec les particules de silicium, ce qui absorbe ainsi la contrainte résultant de l’expansion du matériau. En conséquence, la stabilité structurelle de l’électrode de silicium est améliorée et permet d’obtenir une batterie au lithium qui affiche une densité énergétique accrue d’environ 40 %.
Cette avancée a le potentiel de révolutionner l’industrie des batteries, en offrant une autonomie significativement améliorée aux véhicules électriques (plus de 1 000 km annoncés), ainsi qu’une durée de vie prolongée pour une gamme d’applications, du quotidien aux technologies de pointe. De plus, la méthode utilisée semble être plus rentable et adaptable aux procédés de production existants, ce qui ouvre ainsi la voie à une application rapide dans les lignes de production de batteries.
Les détails de ces travaux sont publiés dans la revue Advanced Science.
