Anodes en silicium et silicium-carbone
Les anodes en silicium et silicium-carbone sont des électrodes négatives qui utilisent le silicium pour stocker le lithium, soit comme matériau actif dominant, soit en association avec du graphite ou une autre forme de carbone.
Principales formes
- Anode en silicium : désigne généralement une électrode négative riche en silicium ou dans laquelle le silicium est dominant. Il ne s'agit pas nécessairement de silicium pur : l'électrode a toujours besoin de liants, d'additifs conducteurs et d'un collecteur de courant.
- Anode silicium-carbone : associe du silicium ou un dérivé du silicium, comme l'oxyde de silicium, à du graphite, à une structure carbonée ou à un autre matériau carboné. Le carbone favorise la conductivité électrique et peut aider à maîtriser les effets mécaniques de la dilatation du silicium.
Pourquoi utiliser le silicium
Le silicium peut stocker beaucoup plus de lithium par unité de masse que le graphite. Il ouvre ainsi la voie à une densité énergétique supérieure au niveau de la cellule, mais le gain obtenu à l'échelle du matériau ne se retrouve pas directement dans une batterie complète. L'épaisseur et la porosité de l'électrode, les matériaux inactifs, la quantité d'électrolyte, la marge prévue pour le gonflement et la cathode influencent tous le résultat final. Nature Communications: Production of lithium-ion batteries with silicon-containing anodes
Le principal compromis
Le silicium se dilate et se contracte fortement lorsque le lithium y entre et en sort. Ces variations répétées de volume peuvent fissurer les particules, rompre le contact électrique et endommager l'interphase électrolyte solide (SEI). La reformation de cette couche consomme du lithium et de l'électrolyte, ce qui contribue à la perte de capacité. U.S. Department of Energy: Protecting silicon battery electrodes
Associer le silicium à du graphite ou à un carbone spécialement conçu peut atténuer ces problèmes, sans toutefois les éliminer. L'appellation silicium-carbone ne renseigne ni sur la proportion de silicium, ni sur la structure des particules, la perte de lithium au premier cycle, le gonflement, les limites de recharge, la durée de vie en cycles ou le rendement de fabrication. De nombreux modèles destinés à la production conservent donc le graphite comme matériau principal et ajoutent une quantité maîtrisée de silicium ou d'oxyde de silicium.
Pour une présentation détaillée des interactions entre électrode et électrolyte, consultez Cell Chemistry & Components. Pour connaître le degré de maturité des conceptions riches en silicium et les programmes actuels de batteries, consultez Latest Advances in EV Battery Technology.
Le silicium désigne le matériau de l'anode, et non l'architecture de l'électrolyte. Il peut être utilisé dans des cellules Lithium-Ion Battery conventionnelles ou dans des conceptions utilisant un électrolyte solide ; voir Solid-State Battery.