Des anodes en nanofils de silicium pour améliorer les performances des batteries Li-ion

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Avec le fort développement des dispositifs électroniques portables, il est de plus en plus important de pouvoir augmenter la capacité énergétique et le cycle de vie des batteries lithium qui sont utilisées aujourd’hui. Le silicium est un matériau d’anode intéressant pour ces batteries car il est caractérisé par un faible potentiel de décharge et qu’il possède une capacité de charge théorique parmi les plus élevées (4,2 Ah/g), dix fois plus importante que celle des anodes graphite existantes et bien meilleure que celle de certains nitrures ou oxydes. Toutefois, l’utilisation du silicium se heurte à une difficulté majeure qui résulte d’un fort changement de volume du matériau lors des phases d’insertion et d’extraction du lithium, qui se solde par une forte dégradation du film de silicium conduisant à la perte du contact électrique avec le collecteur de courant.

Des travaux récents ont montré que des améliorations étaient possibles en utilisant à l’anode non plus des matériaux massifs, mais des matériaux nanostructurés, à base de carbone, ou d’oxydes de cobalt, étain ou encore titane. Dans cette optique, une équipe de Stanford University (Californie) vient de proposer une autre approche qui consiste à utiliser une anode faite de nanofils de silicium implantés sur le collecteur de courant métallique. Ces nanofils sont formés directement sur l’électrode en acier par le procédé classique de croissance vapeur-liquide-solide (VLS) et poussent perpendiculairement à la surface pour constituer une sorte de forêt. Cette géométrie est très favorable car les nanofils peuvent gonfler en diamètre et s’allonger sans se casser, et évacuer facilement la contrainte associée à l’incorporation de lithium. De plus, chaque nanofil est directement connecté au collecteur, de sorte que tous les nanofils contribuent au transport de charge, qui se fait dans un matériau homogène, donc avec une meilleure efficacité que dans les structures faites de nanoparticules.

L’équipe a mené une étude détaillée du comportement électrique et de la structure de cette anode de nanofils de silicium au cours de cycles d’insertion et d’extraction de lithium. Les résultats obtenus sont très prometteurs, les capacités de charge mesurées étant proches des valeurs théoriques pour le silicium, la dégradation des performances sur de multiples cycles restant très limitée.

Source :


- http://news-service.stanford.edu/news/2008/january9/nanowire-010908.html
- "High-performance lithium battery anodes using silicon nanowires", Nature Nanotechnology 3, 31 - 35 (2007)

Rédacteur :

Roland Hérino - attache-phys.mst@consulfrance-houston.org

Voir en ligne : http://www.bulletins-electroniques….