Les ingénieurs produisent une batterie haute performance entièrement à semi-conducteurs avec un pluspol en silicium pur.
Les ingénieurs techniques ont créé un nouveau type de batterie qui tisse deux sous-domaines prometteurs de puissance de batterie en une seule puissance de batterie. La batterie utilise à la fois un électrolyte solide et une bonne anode entièrement en silicium, ce qui en fait une batterie entièrement en silicium. Les premiers modèles de tests montrent que la nouvelle batterie est sûre, durable et dense en énergie. Cela promet d’obtenir un large éventail d’applications grâce au stockage en réseau pour les véhicules électriques.
Les technologies de batterie sont décrites dans le numéro du 24 septembre 2021 du journal La technologie . Une université associée aux nano-ingénieurs de Californie à San Diego a dirigé la recherche, en collaboration avec des scientifiques de LG Power Solution.
Les anodes en silicium sont reconnues pour leur densité énergétique, qui est 10 fois supérieure aux anodes en graphite les plus souvent utilisées dans les batteries lithium-ion commerciales d’aujourd’hui. D’autre part, les anodes en silicium sont connues pour la façon dont elles s’élargissent et se contractent depuis que la batterie se charge et se décharge, et pour la façon dont elles se dégradent avec les électrolytes d’eau. Ces problèmes ont empêché les anodes entièrement en silicium des batteries lithium-ion industrielles, quelle que soit la densité énergétique alléchante. Le nouvel ouvrage sorti en Science fournit une voie prometteuse pour les anodes entièrement en silicium, grâce au bon électrolyte.
1) La batterie la plus solide comprend un revêtement composite cathodique, une couche d’électrolyte solide en sulfure, ainsi qu’une anode en micro-silicium sans carbone. 2) Avant le chargement, des particules de silicium discrètes à micro-échelle provenant du pluspol dense en énergie. Pendant l’obtention de la batterie, les ions lithium positifs se déplacent de la cathode à l’anode, et une interface utilisateur 2D stable est formée. 3) Au fur et à mesure que davantage d’ions lithium pénètrent dans l’électrode positive, il réagit avec le micro-silicium pour former des particules d’alliage lithium-silicium (Li-Si) connectées les unes aux autres. La réaction est constamment sur la propagation dans toute l’électrode. 4) La réaction conduit à l’expansion et à la densification des contaminants micro-siliciques, formant une électrode épaisse en alliage Li-Si. Les attributs mécaniques du métal Li-Si et de l’électrolyte solide jouent un rôle crucial dans le maintien de l’éthique et du contact à travers l’avion interfacial 2D. Crédit : Université associée à California San Diego
“Avec cette configuration de batterie particulière, nous avons ouvert une nouvelle place pour les batteries électriques à semi-conducteurs utilisant alliage des anodes telles que le silicium », a déclaré Darren HS Bronze, l’auteur principal de l’article. Cette personne a récemment terminé son doctorat en génie chimique à l’école UC Hillcrest Jacobs associée à l’ingénierie et a cofondé une startup UNIGRID Battery qui a certifié cette technologie.
Les batteries électriques à semi-conducteurs de nouvelle génération à haute densité d’énergie ont toujours compté sur le li métallique (symbole) comme anode. Pourtant, cela impose des limites sur les taux de coût de la batterie et l’exigence d’une température élevée (généralement 60 degrés Celsius ou supérieur) pendant la charge. L’anode en silicium particulière surmonte ces limitations, permettant des prix de charge beaucoup plus rapides à la pièce afin de basses températures, tout en maintenant des densités d’énergie élevées.
Le groupe a démontré une cellule entièrement cellulaire à l’échelle du laboratoire qui offre cinq cents cycles de charge et de libération avec une rétention de capacité de 80 pour cent à température ambiante, ce qui représente généralement une amélioration intéressante pour les communautés d’électrodes positives au silicium et de batteries à l’état solide.
Le silicium comme pluspol pour remplacer le graphite
Les anodes en silicium, naturellement, ne sont pas nouvelles. Pendant de nombreuses années, les scientifiques et les fabricants de batteries ont considéré que le silicium était un matériau à forte densité énergétique à combiner ou à remplacer totalement dans les anodes en graphite conventionnelles des batteries lithium-ion. Théoriquement, le silicium offre environ dix fois la capacité d’espace de stockage du graphite. Dans la pratique, cependant, les batteries lithium-ion avec du silicium ajouté à l’électrode positive pour augmenter la densité énergétique souffrent généralement de problèmes de performances réels : en particulier, le nombre de fois que la batterie particulière peut être facturée et déchargée tout en maintenant les performances n’est pas vraiment assez élevé .
Une grande partie du problème est provoquée par l’interaction entre les anodes de silicium ainsi que les électrolytes liquides avec lesquels elles sont associées. Le problème est compliqué simplement par la croissance en grand volume de contaminants de silicium pendant la charge et la décharge. Cela conduit à une perte de capacité importante au fil du temps.
« En tant que chercheurs sur les batteries, il est essentiel de s’attaquer aux principaux problèmes du programme. Pour les anodes en silicium, nous savons que l’un des problèmes majeurs est le manque de stabilité de l’interface eau-électrolyte », a déclaré Shirley Meng, professeure de nano-ingénierie à l’UC San Diego, auteure correspondante à la La technologie papers et directeur de l’Institute for Components Discovery and Style du parc UC North. “Nous avions besoin d’une approche complètement différente”, a déclaré Meng.
En effet, le groupe dirigé par l’UC San Diego a adopté une technique différente : ils ont éliminé le carbone particulier et les liants qui accompagnaient les anodes tout en silicium. De plus, les chercheurs ont utilisé du micro-silicium, qui est beaucoup moins traité et plus abordable que le nano-silicium qui est plus souvent utilisé.
Une réponse entièrement à l’état solide
En plus de se débarrasser de tout le carbone et des liants de l’électrode positive, l’équipe a également supprimé l’électrolyte d’eau. Au lieu de cela, ces personnes ont utilisé un électrolyte solide à base de sulfure. Leurs propres expériences ont montré que cet électrolyte solide particulier est très stable dans les batteries électriques avec des anodes tout en silicium.
“Ce tout nouveau travail offre une solution encourageante au problème de l’anode en silicium, bien qu’il y ait plus de fonctions à faire”, a déclaré le professeur Meng, “Je vois cette tâche comme une validation de notre propre approche de l’analyse des batteries ici au parc UC North. Nous joignons probablement les travaux théoriques et expérimentaux les plus rigoureux à la créativité et à la réflexion hors des sentiers battus. Nous comprenons également comment interagir avec les partenaires de l’industrie tout en relevant des défis fondamentaux difficiles. ”
Les initiatives passées pour commercialiser des anodes en alliage de silicium se concentrent principalement sur les composites silicium-graphite, ou sur la fusion de particules nanostructurées avec des liants polymères. Cependant, ils luttent toujours avec une mauvaise stabilité.
En remplaçant simplement l’électrolyte liquide par n’importe quel électrolyte solide, tout en éliminant le carbone et les liants du silicium pluspol, les chercheurs ont évité une série de problèmes connexes qui surviennent lorsque les anodes sont trempées dans l’électrolyte organique de l’eau comme la batterie. fonctions de puissance.
Simultanément, en éliminant le co2 dans l’anode, l’équipe a considérablement réduit le contact interfacial (et les réactions indésirables des pièces) avec l’électrolyte puissant, évitant ainsi une perte de capacité constante qui se produit généralement avec les électrolytes liquides.
Ce changement en deux parties a permis aux experts de profiter pleinement des avantages du silicium à faible coût, à haute énergie et sans danger pour l’environnement.
Commercialisation d’impact et de retombées
« La méthode du silicium à l’état solide surmonte de nombreuses restrictions dans les batteries électriques conventionnelles. Il présente des opportunités intéressantes pour nous de satisfaire les demandes du marché concernant une puissance volumétrique plus élevée, des coûts réduits, ainsi que des batteries plus sûres spécifiquement pour l’espace de stockage d’énergie du réseau », a déclaré Darren HS Color, le premier auteur autour du La technologie document.
Les électrolytes forts à base de sulfure étaient généralement considérés comme très volatils. Cependant, cela dépendait des interprétations thermodynamiques traditionnelles utilisées dans les systèmes à électrolyte liquide, qui ne tenaient pas compte de l’excellente stabilité cinétique des électrolytes forts. Le groupe a vu une opportunité d’utiliser cette propriété contre-intuitive pour produire un pluspol très stable.
Tan est peut-être le PDG et cofondateur d’une startup, UNIGRID Battery, qui a certifié la technologie pour les personnes au silicium toutes les batteries à semi-conducteurs.
En parallèle, les travaux essentiels connexes se poursuivront à l’UCSan Diego, y compris une collaboration d’étude supplémentaire avec LG ELECTRONICS Energy Solution.
« LG Energy Option serait ravi que les dernières recherches sur la technologie des blocs-batteries avec l’UC San Diego soient publiées dans le journal associé à La technologie , une reconnaissance importante », a déclaré Myung-hwan Kim, directeur général et directeur des achats chez LG ELECTRONICS Energy Solution. « Avec la dernière découverte, LG ELECTRONICS Energy Solution est beaucoup plus proche de la réalisation de techniques de batteries entièrement à semi-conducteurs, ce qui peut considérablement diversifier notre propre sélection de produits de batterie. ”
« En tant que principal producteur de batteries, LGES poursuivra ses efforts afin de favoriser l’état de l’art associé à la recherche de pointe associée au matériau cellulaire des batteries de nouvelle génération », a ajouté Betty. LG Energy Answer a déclaré qu’il prévoyait d’étendre davantage la collaboration sur l’étude des batteries à semi-conducteurs avec l’UC San Diego.
Guide : « anodes en silicium à haute charge sans carbone activées simplement par des électrolytes solides de sulfure » par Darren Ils le feraient. S. Tan, Yu-Ting Chen, Hedi Yg, Wurigumula Bao, Bhagath Sreenarayanan, Jean-Marie Discount, Weikang Li, Bingyu Lu, So-Yeon Pork, Baharak Sayahpour, Jonathan Scharf, Erik The. Wu, Grayson Deysher, Hyea Eun Ryan, Hoe Jin Hah, Hyeri Jeong, Jeong Beom Lee, Zheng Chen et Ying Shirley Meng, le 24 septembre 2021, Science .
DOI : 10. 1126/science. abg7217
La recherche avait été soutenue simplement par l’innovation ouverte de LG Energy Solution, un plan qui facilite activement la recherche liée aux batteries. LGES a travaillé avec des experts du monde entier pour créer des techniques connexes.
Auteurs : Darren Ils le feraient. S. Tan, Yu-Ting Chen, Hedi Yg, Wurigumula Bao, Bhagath Sreenarayanan, Jean-Marie Discount, Weikang Li, Bingyu Lu, So-Yeon Pork, Baharak Sayahpour, Jonathan Scharf, Erik The. Wu, Grayson Deysher, Zheng Chen plus Ying Shirley Meng du département associé à la nano-ingénierie, programme associé au génie chimique, plus Sustainable Power & Energy Center (SPEC) Université de Ca San Diego Jacobs College of Engineering ; Hyea Eun Han, Hoe Jin Hah, Hyeri Jeong, Jeong Beom Lee, de LG ELECTRONICS Energy Solution, Limited.
Financement : Cette étude particulière a été financée par l’organisation LG ELECTRONICS Energy Solution via le système Battery Advancement Contest (BIC). ZC apprécie le financement du soutien du fonds de démarrage de votre école Jacob associée à l’ingénierie à l’université ou au collège de Californie Hillcrest. YS Mirielle. reconnaît l’aide financière du Zable Rendered Chair Fund.
