Des anodes de silicium microscopiques recyclées à partir de déchets photovoltaïques améliorent les performances des batteries lithium-ion

Des chercheurs de l’Institut de bioénergie et de technologie des bioprocédés de Qingdao (QIBEBT) de l’Académie chinoise des sciences ont développé des anodes en silicium de petite taille et à faible coût à partir de déchets photovoltaïques recyclés en utilisant une nouvelle conception d’électrolyte.

Leur travail pionnier, publié dans Nature et durabilitéoffre une voie vers des batteries plus durables, peu coûteuses et à haute densité énergétique qui pourraient transformer les systèmes de stockage d’énergie pour les véhicules électriques et les applications d’énergie renouvelable.

Les anodes en silicium sont privilégiées pour leur capacité à augmenter considérablement la densité énergétique des batteries lithium-ion par rapport aux anodes en graphite traditionnelles, mais elles sont gênées par une expansion volumique importante lors des cycles de charge-décharge. Cette expansion peut provoquer des fractures mécaniques et dégrader les performances de la batterie.

Pour surmonter ces défis, les chercheurs, dirigés par le professeur Cui Guanglei, ont été les premiers à utiliser des particules de silicium de taille microscopique (μm-Si) dérivées de déchets photovoltaïques comme alternative viable.

Lorsqu’elles sont intégrées à un électrolyte à base d’éther spécialement conçu, ces anodes μm-Si présentent une stabilité électrochimique remarquable, maintenant une efficacité coulombienne moyenne de 99,94 % et conservant 83,13 % de leur capacité initiale après 200 cycles.

« Ces travaux suggèrent non seulement une source d’approvisionnement plus durable en particules de silicium, mais abordent également les défis majeurs auxquels sont confrontés les matériaux d’anode en silicium de taille microscopique », a déclaré le Dr Liu Tao, premier auteur de l’étude.

Le secret du succès des anodes réside dans leur chimie unique d’interphase électrolyte solide (SEI), résultat de la composition électrolytique innovante de 3 M LiPF de l’équipe₆ dissous dans un rapport volumique de 1:3 de 1,3-dioxane et de 1,2-diéthoxyéthane. Cette formulation favorise le développement d’un SEI à double couche à la fois flexible et robuste, qui maintient ensemble les particules de silicium fracturées tout en améliorant la conduction ionique et en minimisant les réactions secondaires.

Les cellules à poche NCM811||μm-Si avec la nouvelle combinaison d’anode et d’électrolyte ont survécu à 80 cycles et ont fourni une densité énergétique impressionnante de 340,7 Wh kg^-1 dans des conditions difficiles. Ces performances constituent une amélioration significative par rapport aux batteries lithium-ion conventionnelles, qui approchent de leurs limites de densité énergétique.

Le Dr Dong Tiantian, co-auteur principal de l’étude, a déclaré : « L’approvisionnement durable en silicium provenant de panneaux solaires mis au rebut atténue à la fois les impacts économiques et environnementaux des déchets photovoltaïques. La conversion des déchets en composants de batterie de valeur réduit considérablement le coût des batteries lithium-ion et augmente leur accessibilité. »

« En utilisant des matériaux recyclés et une ingénierie chimique avancée, nous avons démontré que les batteries lithium-ion à hautes performances et respectueuses de l’environnement sont non seulement possibles, mais également à portée de main », a déclaré le professeur Cui, qui est optimiste quant au fait que cette recherche conduira au développement de batteries de nouvelle génération capables d’alimenter tout, des véhicules électriques au stockage d’énergie à l’échelle du réseau.