L'université de San Diego (UCSD), aux États-Unis, et l'industriel coréen LG Energy Solution ont mis au point une batterie lithium-ion (Li-ion) tout-solide avec une électrode négative en silicium (Si) pur (99,9 % en masse). « Ces travaux sont uniques et nous sommes les premiers à nous intéresser à cette architecture », affirme Shirley Meng, professeure de nanoingénierie et de science des matériaux à l'UCSD et autrice correspondante de l'étude publiée dans la revue Science le 24 septembre.
Convergent ici deux voies de R&D dans les batteries. D'abord la tendance à ajouter du silicium dans le graphite des électrodes négatives des batteries Li-ion classiques pour y accueillir plus de lithium. Ensuite le remplacement de l'électrolyte liquide par un électrolyte solide, généralement associé à l'usage de lithium métallique (Li-métal) dans l'électrode négative, pour augmenter la densité d'énergie et la sécurité.
L'architecture présentée est composée d'une électrode négative en micro-particules de silicium, d'un électrolyte solide à base de sulfures et d'une électrode positive classique de type nickel-manganèse-cobalt enrichie en nickel (NMC811). « Les propriétés mécaniques du silicium se rapprochent de celles de l'électrolyte solide et du NMC qui sont « rigides » par rapport au Li-métal qui est « mou », souligne Mme Meng. Le silicium limite les problèmes mécaniques qui apparaissent avec le Li-métal et améliore la durée de vie et la densité de courant. Toutefois, le Li-métal reste le but ultime pour améliorer la densité d'énergie. »
Création d'une start-up pour développer cette technologie
Pour s'affranchir des problèmes que pose le gonflement du silicium lors des cycles de charge-décharge, l'électrode négative est conçue avec une part de vide qui lui permet de grossir lors de la première charge, poursuit Mme Meng : « Nous ne savons pas encore comment l'expliquer au niveau atomique, mais nous avons montré que la plus grosse variation de volume a lieu lors du premier cycle. Le volume continue de varier ensuite, mais beaucoup moins. »
Des résultats prometteurs pour une nouvelle technologie de batterie qui conviendrait aussi bien aux véhicules électriques qu'au stockage stationnaire, précise Mme Meng. Avec l'accord de LG Energy Solution, UCSD a créé la start-up Unigrid Battery pour lever les derniers verrous et progresser en maturité avant une éventuelle commercialisation.
