Batterie nanofil - Nanowire battery

Une batterie à nanofils utilise des nanofils pour augmenter la surface d'une ou de ses deux électrodes . Certaines conceptions (silicium, germanium et oxydes de métaux de transition ), des variantes de la batterie lithium-ion ont été annoncées, bien qu'aucune ne soit disponible dans le commerce. Tous les concepts remplacent l' anode en graphite traditionnelle et pourraient améliorer les performances de la batterie.

Silicium

Le silicium est un matériau attrayant pour les applications comme anodes de batteries au lithium car il offre des propriétés matérielles avantageuses. En particulier, le silicium présente un faible potentiel de décharge et une capacité de charge théorique élevée dix fois supérieure à celle des anodes en graphite typiques actuellement utilisées dans l'industrie. Les nanofils pourraient améliorer ces propriétés en augmentant la quantité de surface disponible en contact avec l'électrolyte, augmentant ainsi la densité de puissance de l'anode et permettant une charge plus rapide et une livraison de courant plus élevée. Cependant, l'utilisation d'anodes de silicium dans les batteries a été limitée par l'expansion de volume lors de la lithiation . Le silicium gonfle de 400 % car il intercale le lithium pendant la charge, ce qui entraîne une dégradation du matériau. Cette expansion volumique se produit de manière anisotrope, provoquée par la propagation de fissures immédiatement après un front de lithiation en mouvement. Ces fissures entraînent une pulvérisation et une perte de capacité substantielle perceptible au cours des premiers cycles.

Le vaste article de revue de 2007 de Kasavajjula et al. résume les premières recherches sur les anodes à base de silicium pour les piles secondaires lithium-ion. En particulier, Hong Li et al ont montré en 2000 que l'insertion électrochimique d'ions lithium dans des nanoparticules de silicium et des nanofils de silicium conduit à la formation d'un alliage Li-Si amorphe. La même année, Bo Gao et son directeur de thèse, le professeur Otto Zhou ont décrit le cyclage de cellules électrochimiques avec des anodes comprenant des nanofils de silicium, avec une capacité réversible allant d'au moins environ 900 à 1500 mAh/g.

Des recherches effectuées à l'Université de Stanford indiquent que les nanofils de silicium (SiNW) cultivés directement sur le collecteur de courant (via les méthodes de croissance VLS ) sont capables de contourner les effets négatifs associés à l'expansion du volume. Cette géométrie se prête à plusieurs avantages. Premièrement, le diamètre du nanofil permet une meilleure adaptation des changements de volume pendant la lithiation sans fracture. Deuxièmement, chaque nanofil est attaché au collecteur de courant de sorte que chacun puisse contribuer à la capacité globale. Troisièmement, les nanofils sont des voies directes pour le transport de charges ; dans les électrodes à base de particules, les charges sont obligées de naviguer dans les zones de contact interparticulaire (un processus moins efficace). Les nanofils de silicium ont une capacité théorique d'environ 4 200 mAh g^-1, ce qui est supérieur à la capacité des autres formes de silicium. Cette valeur indique une amélioration significative par rapport au graphite, qui a une capacité théorique de 372 mAh g^-1 dans son état entièrement lithié de LiC 6 .

Des recherches supplémentaires ont impliqué le dépôt de revêtements de carbone sur des nanofils de silicium, ce qui aide à stabiliser le matériau de telle sorte qu'une interphase d'électrolyte solide stable (SEI) se forme. Un SEI est un sous-produit inévitable de l'électrochimie qui se produit dans la batterie ; sa formation contribue à diminuer la capacité de la batterie puisqu'il s'agit d'une phase électriquement isolante (bien qu'elle soit ioniquement conductrice). Il peut également se dissoudre et se reformer sur plusieurs cycles de batterie. Par conséquent, un SEI stable est préférable afin d'éviter une perte de capacité continue lorsque la batterie est utilisée. Lorsque du carbone est enduit sur des nanofils de silicium, une rétention de capacité a été observée à 89 % de la capacité initiale après 200 cycles. Cette capacité de rétention est comparable à celle des anodes graphitiques aujourd'hui.

Une conception utilise une anode en acier inoxydable recouverte de nanofils de silicium. Le silicium stocke dix fois plus de lithium que le graphite, offrant une densité énergétique accrue . La grande surface augmente la densité de puissance de l'anode , permettant ainsi une charge rapide et une livraison de courant élevée. L'anode a été inventée à l'Université de Stanford en 2007.

En septembre 2010, les chercheurs ont démontré 250 cycles de charge maintenant au-dessus de 80 % de la capacité de stockage initiale. Cependant, certaines études ont souligné que les anodes de nanofils de Si présentent une diminution significative de la capacité énergétique avec plus de cycles de charge ; ceci est causé par l'expansion volumétrique des nanofils de silicium pendant le processus de lithiation . Les chercheurs ont proposé de nombreuses solutions pour remédier à ce problème: les résultats publiés en 2012 ont montré que les impuretés de dopage à l'anode de nanofils améliore la performance de la batterie, et il a été constaté que dopé au phosphore Si nanofils obtenu de meilleures performances par rapport au bore et non dopés nanofils électrodes ; les chercheurs ont également démontré la possibilité de maintenir un 85% de sa capacité initiale après un cycle de plus de 6000 fois en plaçant une anode de silicium nominalement non dopée en une double paroi silicium nanotube avec l' oxyde de silicium la couche perméable à l' ion comme revêtement.

La cellule de batterie à base de nanofils de silicium offre également une opportunité pour une source d'énergie flexible dimensionnelle, ce qui conduirait également au développement d'un dispositif technologique portable. Un scientifique de l'Université Rice a montré cette possibilité en déposant des nanocoquilles de cuivre poreuses autour du nanofil de silicium dans une matrice polymère. Cette batterie lithium-polymère à nanofils de silicium (LIOPSIL) a une tension de cellule pleine et opérationnelle suffisante de 3,4 V et est mécaniquement flexible et évolutive.

La commercialisation devait initialement avoir lieu en 2012, mais a ensuite été reportée à 2014. Une société liée, Amprius, a livré un appareil lié avec du silicium et d'autres matériaux en 2013. Canonical a annoncé le 22 juillet 2013 que son smartphone Ubuntu Edge contiendrait un batterie lithium-ion à anode au silicium.

Germanium

Une anode utilisant des nanofils de germanium aurait la capacité d'augmenter la densité énergétique et la durabilité du cycle des batteries lithium-ion. Comme le silicium, le germanium a une capacité théorique élevée (1600 mAh g-1), se dilate pendant la charge et se désintègre après un petit nombre de cycles. Cependant, le germanium est 400 fois plus efficace pour intercaler le lithium que le silicium, ce qui en fait un matériau d'anode attrayant. Les anodes prétendaient conserver des capacités de 900 mAh/g après 1 100 cycles, même à des taux de décharge de 20 à 100 °C. Cette performance a été attribuée à une restructuration des nanofils qui se produit au cours des 100 premiers cycles pour former un réseau mécaniquement robuste et poreux en continu. Une fois formée, l'anode restructurée ne perd que 0,01 % de capacité par cycle par la suite. Le matériau forme après ces cycles initiaux une structure stable capable de résister à la pulvérisation. En 2014, des chercheurs ont développé un moyen simple de produire des nanofils de germanium à partir d'une solution aqueuse .

Oxydes de métaux de transition

Les oxydes de métaux de transition (TMO), tels que Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 , MnO 2 , Co 3 O 4 et PbO 2 , présentent de nombreux avantages en tant que matériaux d'anode par rapport aux matériaux de cellules classiques pour les batteries lithium-ion (LIB) et autres systèmes de batterie. Certains d'entre eux possèdent une capacité énergétique théorique élevée et sont naturellement abondants, non toxiques et respectueux de l'environnement. Alors que le concept d'électrode de batterie nanostructurée a été introduit, les expérimentateurs commencent à examiner la possibilité de nanofils à base de TMO comme matériaux d'électrode. Certaines enquêtes récentes sur ce concept sont discutées dans la sous-section suivante.

Anode en oxyde de plomb

La batterie au plomb est le plus ancien type de cellule de batterie rechargeable. Même si la matière première (PbO 2 ) pour la production de cellules est assez accessible et bon marché, les cellules de batterie au plomb ont une énergie spécifique relativement faible. L'effet épaississant de la pâte (effet d'expansion volumétrique) pendant le cycle de fonctionnement bloque également l'écoulement effectif de l'électrolyte. Ces problèmes ont limité le potentiel de la cellule pour accomplir certaines tâches énergivores.

En 2014, un expérimentateur a obtenu avec succès un nanofil de PbO 2 par simple électrodéposition de gabarit . Les performances de ce nanofil comme anode pour batterie plomb-acide ont également été évaluées. En raison d'une surface largement augmentée, cette cellule a pu fournir une capacité presque constante d'environ 190 mAh g -1 même après 1 000 cycles. Ce résultat a montré ce PbO 2 nanostructuré comme un substitut assez prometteur pour l'anode plomb-acide normale.

Oxyde de manganèse

Le MnO 2 a toujours été un bon candidat pour les matériaux d' électrode en raison de sa capacité énergétique élevée, de sa non-toxicité et de sa rentabilité. Cependant, l'insertion de lithium-ion dans la matrice cristalline pendant le cycle de charge/décharge provoquerait une expansion volumétrique significative. Pour contrer cet effet pendant le cycle de fonctionnement, les scientifiques ont récemment proposé l'idée de produire un nanofil de MnO 2 enrichi en Li avec une stoechiométrie nominale de Li 2 MnO 3 en tant que matériaux d'anode pour le LIB . Ces nouveaux matériaux d'anode proposés permettent à la cellule de batterie d'atteindre une capacité énergétique de 1279 mAh g -1 à une densité de courant de 500 mA même après 500 cycles. Cette performance est beaucoup plus élevé que celui de pur MnO 2 anode ou MnO 2 cellules anodiques de nanofil.

TMO à hétérostructure

L'hétérojonction de différents oxydes de métaux de transition offrirait parfois le potentiel d'une performance plus complète des LIB.

En 2013, les chercheurs ont réussi à synthétiser une hétérostructure de nanofils ramifiés Co 3 O 4 /Fe 2 O 3 en utilisant la méthode hydrothermale . Cette hétérojonction peut être utilisée comme anode alternative pour la cellule LIB. En fonctionnement, Co 3 O 4 favorise un transport ionique plus efficace, tandis que Fe 2 O 3 améliore la capacité théorique de la cellule en augmentant la surface. Une capacité réversible élevée de 980 mAh g -1 a été rapportée.

La possibilité de fabriquer des anodes de réseaux de nanofils hétérogènes ZnCo 2 O 4 /NiO a également été explorée dans certaines études. Cependant, l'efficacité de ce matériau en tant qu'anode reste à évaluer.

Or

En 2016, des chercheurs de l' Université de Californie à Irvine ont annoncé l'invention d'un matériau de nanofil capable de plus de 200 000 cycles de charge sans aucune rupture des nanofils. La technologie pourrait conduire à des batteries qui n'ont jamais besoin d'être remplacées dans la plupart des applications. Les nanofils d' or sont renforcés par une enveloppe de dioxyde de manganèse enfermée dans un électrolyte en gel de type plexiglas . La combinaison est fiable et résistante aux pannes. Après avoir cyclé une électrode de test environ 200 000 fois, aucune perte de capacité ou de puissance, ni aucune fracturation des nanofils ne s'est produite.

Voir également

Les références

Liens externes