Application de matériaux d’électrode négative à base de silicium dans les batteries lithium-ion
Avec le développement vigoureux des véhicules à énergie nouvelle, du stockage d’énergie et d’autres marchés, la taille du marché et le niveau technique des batteries au lithium et des matériaux d’électrode négative continuent de s’améliorer. À l’heure actuelle, la capacité spécifique des matériaux d’électrode négative en graphite commerciaux est proche de la capacité spécifique théorique des matériaux en graphite, et l’application commerciale des matériaux d’électrode négative à base de silicium a été encore accélérée.
Les matériaux d’électrode négative à base de silicium sont devenus un point chaud dans la recherche sur les matériaux d’électrode négative des batteries lithium-ion en raison de leur capacité spécifique théorique extrêmement élevée. La capacité spécifique théorique des matériaux d’électrode négative en silicium est bien supérieure à celle des matériaux d’électrode négative en graphite commerciaux, et la tension de fonctionnement est modérée, ce qui fait que les matériaux d’électrode négative à base de silicium présentent des avantages significatifs pour améliorer la densité énergétique de la batterie. Cependant, l’expansion et la contraction du volume du silicium pendant la charge et la décharge sont trop importantes, ce qui entraîne des fissures et des fragmentations du matériau, ainsi qu’un épaississement continu du film SEI, ce qui affecte sérieusement la stabilité du cycle et les performances de la batterie.
Afin de résoudre les défauts des matériaux d’électrode négative à base de silicium dans les applications de batteries lithium-ion, les chercheurs ont proposé une variété de voies techniques, notamment la nanotechnologie, la technologie des matériaux composites, la conception structurelle, la modification de surface, l’optimisation de l’électrolyte, la pré-lithiation, le silicium poreux et l’alliage de silicium, etc.
Ces voies techniques couvrent toutes les étapes de la recherche en laboratoire à l’application industrielle, atténuant le problème d’expansion du volume grâce au nano-dimensionnement et à la technologie des matériaux composites, améliorant la conductivité et la stabilité grâce à la conception structurelle et à la modification de surface, et améliorant les performances globales de la batterie en optimisant le système électrolytique. La technologie de pré-lithiation peut améliorer l’efficacité coulombienne initiale, la structure en silicium poreux aide à atténuer les changements de volume et l’alliage de silicium peut offrir une capacité et une stabilité supérieures. L’application complète de ces voies techniques devrait permettre d’obtenir des matériaux d’électrode négative à base de silicium à hautes performances, à longue durée de vie et à faible coût, et de promouvoir leur popularité généralisée dans les applications pratiques.
À l’heure actuelle, les matériaux silicium-carbone et les matériaux silicium-oxygène sont les deux principales voies techniques pour les électrodes négatives à base de silicium.
Parmi eux, les matériaux d’électrode négative silicium-carbone sont connus pour leur rendement élevé en premier coulomb, mais leur durée de vie doit être améliorée. En réalisant le dimensionnement nanométrique des matériaux en silicium, les problèmes de dilatation et de rupture générés pendant le processus de charge et de décharge peuvent être réduits, améliorant ainsi encore leur durée de vie. Relativement parlant, le principal avantage des matériaux d’électrode négative silicium-oxygène est leur excellente stabilité du cycle, bien que le rendement initial soit faible. Cependant, en adoptant des moyens techniques tels que la pré-lithiation, leur rendement initial peut être efficacement amélioré.
En termes d’applications commerciales, actuellement, les principales applications commerciales des matériaux d’électrode négative à base de silicium comprennent l’oxyde de silicium revêtu de carbone, le carbone nano-silicium, les nanofils de silicium et les alliages de silicium amorphe. Parmi eux, l’oxyde de silicium revêtu de carbone et le carbone nano-silicium ont le plus haut degré de commercialisation, et ils sont généralement mélangés avec du graphite dans un rapport de 5 à 10 %. Ces dernières années, les matériaux d’électrode négative à base de silicium sont progressivement industrialisés.
Dans le domaine des batteries à l’état solide, les matériaux d’électrode négative à base de silicium sont considérés comme l’une des principales directions de développement des matériaux d’électrode négative de batterie à l’état solide en raison de leur densité énergétique théorique élevée, de leurs excellentes performances de charge et de décharge rapides et de leurs excellentes performances de sécurité.