Les batteries lithium-ion jouent un rôle pivot dans le développement des véhicules électriques ou du stockage de l'énergie et l'amélioration de leurs performances – densité énergétique et durée de vie – est devenue un enjeu scientifique et économique majeur.
Dans l'électrode négative de la batterie, le lithium est alternativement incorporé lors de la charge, puis relâché lors de la décharge. Actuellement, le matériau standard d'anode est le graphite. Il pourrait être avantageusement remplacé par un matériau élaboré à partir de silicium car, à masse équivalente, le silicium stocke beaucoup plus de lithium que le graphite. Ainsi serait-il théoriquement possible de porter la capacité de la batterie de 370 à 3600 mAh/g. Cependant le silicium « gonfle » énormément (environ 300 % pour le silicium pur), accroissant le risque de destruction de la batterie, et présente une forte réactivité chimique, entraînant la formation de composés (Solid Electrolyte Interphase) qui piègent du lithium et limitent le nombre de cycles charge-décharge.
Dans le cadre du projet européen Sintbat (Silicon based materials and new processing technologies for improved lithium-ion batteries) auquel a aussi collaboré le CEA-Liten (voir ci-dessous), plusieurs équipes de l'Irig ont étudié ces mécanismes de dégradation, ainsi que des solutions pour les combattre.
Les chercheurs ont en particulier évalué le potentiel d'un nouveau matériau nanostructuré, formé de « domaines » micrométriques de silicium amorphe (Si actif) contenant des nanoparticules de FeSi2 (Si inactif), le tout dispersé dans une matrice de graphite. Pour appréhender les phénomènes à toutes les échelles nécessaires, les chercheurs ont utilisé la microscopie électronique en transmission associée à la spectroscopie de perte d'énergie des électrons (STEM-EELS, Scanning Transmission Electron Microscope - Electron Energy Loss Spectroscopy), la diffraction des rayons X, les techniques de rayonnement synchrotron, l'imagerie neutronique et les spectroscopies RMN et photoélectronique (XPS, X-Ray Photoelectron Spectroscopy).
Comment ce matériau complexe se comporte-t-il au fil du temps ? Les domaines de silicium actif s'entourent d'une « coquille » formée par la réduction chimique de l'électrolyte (Solid Electrolyte Interphase) tandis qu'à l'intérieur, le « cœur » est protégé mécaniquement par les nanoparticules de FeSi2, stables en volume car inactives. La coquille s'épaissit progressivement et de manière hétérogène en s'enrichissant en lithium et en silicium. Cette organisation préserve le cœur et permet à la batterie de conserver une capacité de charge de 70 % après 700 cycles.
Ces résultats, accompagnés d'un modèle décrivant le vieillissement de la batterie après des centaines de cycles à l'échelle nanométrique, doivent permettre d'optimiser la conception de matériaux actifs à base d'alliage et la formulation des électrodes.
Au projet Sintbat succède désormais le projet européen ECO2LIB (Energy efficiency for lithium batteries) avec quasiment les mêmes partenaires.
En savoir plus sur Sintbat, projet européen de 4 ans terminé en mars 2020, coordonné par VARTA MICROBATTERY GMBH (Allemagne).
En savoir plus sur ECO2LIB, projet européen de 4 ans, démarré en janvier 2020.