Est-ce que les batteries se plient ?

Les batteries au lithium-ion (LIB) sont devenues omniprésentes en raison de leur faible coût, de leur haute densité énergétique et de leur densité de puissance. En raison de ces avantages, les LIBs ont suscité beaucoup d'attention en tant que dispositifs de stockage d'énergie primaire dans l'électronique grand public et les véhicules électriques. Les progrès récents de la recherche en électronique grand public et la volonté de réduire les gaz à effet de serre ont créé une demande pour des batteries à haute densité d'énergie et à forme adaptable.

batterie pliable


Cette thèse porte sur les deux aspects susmentionnés des GRV :
  • (a) façonner la conformabilité
  • (b) la densité énergétique et fournir des solutions potentielles pour les améliorer.

Cette thèse est divisée en deux parties, à savoir (i) l'obtention de la pliabilité des batteries et (ii) l'amélioration de leur densité énergétique.

Les LIB conventionnelles ne sont pas conformes à la forme en raison de deux limitations : l'inélasticité des feuilles métalliques et la délamination des matériaux actifs lors du pliage.
Dans la première partie de la thèse, ce problème est résolu en remplaçant le collecteur de courant métallique par des macrofilms de nanotubes de carbone (CNM). Les MNC sont des films superélastiques constitués d'un réseau de nanotubes poreux interconnectés. En utilisant la simulation de dynamique moléculaire (MD), nous avons constaté qu'en présence d'un réseau de nanotubes interconnectés, les CNMs peuvent être complètement pliés.

En effet, la contrainte résultante due à la flexion et l'angle de flexion effectif à l'interface sont réduits grâce au réseau de nanotubes. Ainsi, contrairement à un nanotube isolé (qui se rompt au-delà de 120 degrés de flexion), un réseau de nanotubes peut être complètement plié. Ainsi, en remplaçant les feuilles métalliques des capteurs de courant par des CNMs, la limite de flexibilité d'un LIB conventionnel peut être dépassée. La deuxième partie de cette thèse porte sur l'amélioration de la densité énergétique des LIBs. Deux stratégies ont été adoptées pour atteindre cet objectif : (a) enlever le poids mort des batteries et (b) incorporer des matériaux d'électrodes à haute densité énergétique.
En incorporant les CNM, le poids des batteries a été réduit de 5 à 10 fois en raison de la faible charge massique des CNM (0,7 mg/cm2) par rapport aux feuilles métalliques (5-10 mg/cm2). Nous montrons que la densité d'énergie de la batterie entièrement pliable avec les capteurs de courant CMF peut être jusqu'à deux fois plus élevée que les LIBs conventionnels avec une charge massique réaliste (5mg/cm2) des matériaux des électrodes. Par conséquent, non seulement le CMF confère une conformabilité de forme, mais il augmente également de manière significative la densité d'énergie de l'appareil en éliminant le poids mort des batteries. Le silicium (Si) présente un potentiel énorme en tant que matériau d'anode de prochaine génération dans les batteries lithium-ion en raison de sa haute densité énergétique.

Cependant, le silicium est très fragile et, dans le but de prévenir la fracturation du silicium, la communauté de la recherche est passée de l'utilisation de films de silicium à des électrodes à base de nanoparticules de silicium. Une telle stratégie réduit considérablement la densité d'énergie volumétrique en raison de la porosité des électrodes de nanoparticules de Si. Nnous proposons deux solutions pour incorporer des films Si dans des batteries pliables. Nous montrons que contrairement aux idées reçues, les films Si peuvent être stabilisés par deux stratégies : (a) l'ancrage des films de Si à un capteur de courant à macrofilm à nanotube de carbone (CNM) et (b) le drapage des films avec une monocouche de graphène. Après un cycle électrochimique, les films de Si recouverts de graphène sur CNM ressemblaient à une surface dure fissurée par la boue dans laquelle la couche de recouvrement de graphène supprime la délamination et stabilise l'interface électrolyte solide en créant une interface glissante et en réduisant le transfert de contraintes sur l'interface.

Les films de Si drapé de graphène sur CNM présentent une longue durée de vie (> 1000 pas de charge/décharge) avec une capacité spécifique moyenne de 806 mAh/g. La capacité volumétrique moyenne sur 1000 cycles de charge/décharge est de 2821 mAh/cm3, ce qui est 2 à 5 fois plus élevé que ce qui est rapporté dans la littérature sur les électrodes à base de nanoparticules de Si. L'anode en Si drapé de graphène a également pu être utilisée avec succès contre des cathodes commerciales dans une configuration à cellules pleines. Au chapitre 5, une autre stratégie a été explorée pour stabiliser les films de Si en utilisant le rôle d'une interface glissante dans la stabilisation du Si.

Dans cette étude, des films de graphène ont été utilisés comme couche tampon sur laquelle des films de Si ont été déposés. Ici, au lieu d'une matrice hautement élastique (comme on l'a vu au chapitre 4), on a utilisé une interface glissante pour stabiliser Si. Il a été observé qu'en raison de l'interface glissante, les films Si étaient stables et pouvaient conserver une capacité de 900 mAh/g. Ces films de Si possédaient également une capacité volumétrique de 5462 mAh/cm3.

En revanche, les films Si à interface rigide ont été complètement éviscérés avec une rétention de capacité de 180 mAh/g seulement. Ainsi, cette thèse présente de nouvelles idées pour atteindre une batterie lithium-ion pliable à haute densité énergétique. Nous espérons également que cette thèse servira de plateforme aux chercheurs pour explorer davantage ce domaine.