Et si le futur des micro-batteries résidait dans l’utilisation d’anodes en silicium ? C’est en tout cas la conviction d’une équipe franco-québécoise du Laboratoire Nanotechnologies Nanosystèmes, un laboratoire de recherche international réunissant le CNRS, l’université canadienne de Sherbrooke, l’INSA de Lyon, l’école Centrale de Lyon et l’Université Grenoble-Alpes. Ils ont mis au point une anode en silicium stockant trois fois plus d’énergie, soit 9 milliAmpères heure par centimètre carré, que les standards industriels sur au moins 200 cycles - au lieu des quelques-uns classiquement supportés par ce type d’électrode. Cette anode a fait l’objet d’une publication dans Energy Storage Materials.
Dix fois plus d'énergie stocké dans le silicium que dans le graphite
En effet, si le silicium permet de stocker jusqu’à 10 fois plus d’énergie que le graphite actuellement utilisé et qui arrive à ses limites, il a un talon d’Achille : « lorsque le lithium est en contact avec le silicium de l’anode, il se passe une réaction d’alliage qui cause un gonflement. Celui-ci génère des contraintes et des transformations de phases, ce qui a un impact sur la durée de vie de la batterie, d’un ou deux cycles seulement », explique Denis Machon, enseignant-chercheur au Laboratoire Nanotechnologies Nanosystèmes, et co-auteur de ce travail. Si ce phénomène a aussi lieu dans les anodes en graphite, il est bien moindre puisque la réaction est différente : « le graphite est un composé d’intercalation : le lithium s’insère entre les feuillets du matériau. Le gonflement est alors de l’ordre de 10% - contre 300% pour le silicium ».
Du silicium mésoporeux pour limiter le gonflement
Afin de résoudre ce problème, les chercheurs se sont intéressés à un type de silicium nanostructuré : le silicium mésoporeux. « Ce dernier a déjà l’avantage d’être compatible avec une production industrielle - ce sont des techniques de fabrication peu chères et bien maîtrisées », précise le spécialiste. L’idée est alors de s’appuyer sur cette porosité pour limiter le gonflement. En effet, si le silicium gonfle de la même manière, il peut se dilater dans les espaces vides créés par les pores, limitant le gonflement du matériau. Mais apparaît un nouveau problème : la quantité de lithium piégée dans le silicium finit par affecter la capacité de la batterie. « Pour limiter cette quantité, nous avons donc décidé de réduire le contact entre l’électrolyte et l’anode, et de fermer la surface », indique Denis Machon.
Créer une couche de silicium solide en surface
Pour cela, le silicium mésoporeux est soumis à un traitement appelé recuit de surface : « Nous le plaçons sous une lumière infrarouge qui chauffe à 1000 degrés Celsius pendant 60 secondes. Sous l’effet de la chaleur, la surface forme un petit film de silicium massif, d’environ un micron », détaille le chercheur. Au final, cette structuration en sandwich permet de limiter le gonflement total de la structure à 100%. L’anode ainsi obtenue a rapidement démontré des performances exceptionnelles : « Depuis la publication de l’étude, nous avons continué à tester ces anodes, et nous sommes aujourd’hui à 370 cycles », pour des capacités de stockage de 9 milliAmpères heure par centimètre carré. Nous sommes aussi montés jusqu’à 20 mAh.cm-2 pour 5 cycles, sans que cela n’endommage la batterie. L’une de nos activités futures est de réitérer l’expérience sur un plus grand nombre de cycles », ajoute-t-il.
Les chercheurs vont aussi s’attacher à comprendre les raisons sous-tendant de telles performances. D’après Denis Machon, « on sait que la structuration a un effet, ainsi que la technique de recuit utilisée, puisque quand on ne chauffe pas à la même température, on n’obtient pas les mêmes performances. Mais nous ne savons pas encore pourquoi. Les propriétés mécaniques de la structure jouent aussi un rôle, encore mal compris ».
Une start-up à venir
En attendant, l’équipe envisage déjà, par l’intermédiaire de l’un de ses étudiants en thèse, le lancement d’une start-up pour développer ces anodes brevetées. D’autant que, conclut-il, « nous sommes vraiment sur un marché de niche, les micro-batteries, mais qui sont destinées à alimenter tout l’internet des objets ».
