L’ère du silicium est arrivée… pour les batteries

Depuis les débuts commerciaux des batteries lithium-ion il y a trente ans, cette technologie de stockage d'énergie portable et à haute densité (et lauréate du prix Nobel) a révolutionné les domaines de l'électronique grand public, des véhicules électriques et du stockage d'énergie à grande échelle. Et pourtant, même pour les vastes avancées technologiques – une chute stupéfiante du prix par trente entre 1991 et 2018, par exemple – les améliorations les plus importantes ont eu lieu principalement du côté des cathodes à oxyde métallique de lithium. En revanche, les anodes en graphite des batteries lithium-ion sont restées en grande partie les mêmes.

Le silicium est depuis longtemps prometteur en tant que support pour les anodes, car il peut contenir 10 fois plus d'ions lithium en poids que le graphite. En fait, la première utilisation documentée du silicium comme anode de batterie au lithium est même antérieure à celle du graphite, de sept ans. Mais les expériences avec cet élément ont été en proie à des défis techniques, notamment l'expansion du volume de l'anode lorsqu'elle est chargée d'ions lithium et la fracture du matériau qui en résulte, qui peut se produire lorsqu'une anode se dilate et se contracte.

Aujourd'hui, cependant, après une quinzaine d'années d'améliorations progressives et d'espoirs déçus, l'heure du silicium comme matériau de base dans les batteries est enfin arrivée.

« Le silicium a transformé la façon dont nous stockons les informations, et maintenant il transforme la façon dont nous stockons l'énergie. » – Rick Costantino, Group14

Certains constructeurs automobiles et startups d’anodes en silicium se sont associés pour produire des véhicules électriques à plus longue autonomie et moins coûteux qui pourraient être sur les routes d’ici le milieu de la décennie. General Motors et OneD Battery Sciences à Palo Alto, en Californie, intègrent la nanotechnologie de silicium de OneD dans les cellules de batterie Ultium de GM. L'anode en silicium de Sila Nanotechnologies, basée à Alameda, en Californie, qui alimente le tracker de fitness Whoop depuis 2021, sera présente dans le SUV Mercedes Classe G d'ici 2026. Group14 Technologies, à Woodinville, Washington, devrait installer sa batterie au silicium dans une Porsche EV d’ici l’année prochaine.

Fin 2022, Group14, Sila et Amprius Technologies à Fremont, en Californie, ont levé près d'un demi-milliard de dollars pour commercialiser leurs matériaux d'anode, avec 250 millions de dollars du ministère américain de l'Énergie et, pour Group14, 214 millions de dollars supplémentaires en investissement privé. . Tous trois prévoient de mettre en service des usines nationales à l’échelle du gigawatt dans les prochaines années. Group14 a commencé la construction d'une centrale de 20 gigawatts à Moses Lake, Washington, en avril.

« Le silicium a transformé la façon dont nous stockons l'information, et maintenant il transforme la façon dont nous stockons l'énergie », déclare Rick Costantino, directeur de la technologie de Group14.

Le silicium promet des véhicules électriques plus longs, à charge plus rapide et plus abordables que ceux dont les batteries sont équipées d'anodes en graphite d'aujourd'hui. Non seulement il absorbe plus d'ions lithium, mais il les transporte également plus rapidement à travers la membrane de la batterie. Et en tant que métal le plus abondant dans la croûte terrestre, il devrait être moins cher et moins sensible aux problèmes de chaîne d’approvisionnement. Dans l’état actuel des choses, presque tous les matériaux d’anode en graphite sont traités en Chine.

Tesla aurait ajouté jusqu'à 5 % de silicium dans les anodes de ses batteries. Mais les startups d’anodes en silicium veulent aller beaucoup plus loin.

Lorsque les chercheurs ont commencé à explorer le silicium pour les anodes des batteries au lithium, comme indiqué ci-dessus, en 1976, avant que le graphite ne devienne la solution de compromis, le gonflement et le rétrécissement drastiques du silicium pendant la charge et la décharge ont rapidement désintégré l'anode. Et les réactions secondaires indésirables ont compliqué le processus pendant la charge et ont également réduit la durée de vie de la batterie.

Certains fabricants de batteries commerciales, dont Tesla, ont augmenté la capacité de rétention de lithium des anodes de leurs batteries en ajoutant une petite quantité (généralement jusqu'à 5 %) de silicium. Mais les startups d’anodes en silicium veulent aller beaucoup plus loin.

La plupart d’entre eux envisagent le silicium nano-ingénierie comme solution de contournement aux problèmes de gonflement et de réaction secondaire. Yi Cui, professeur de science des matériaux à Stanford, et son laboratoire ont lancé ce domaine de recherche avec un article publié en 2008 dans Nature Nanotechnology sur les nanofils de silicium qui ont résisté au gonflement. D’autres ont rapidement donné une tournure différente à cela, avec des nanoparticules de silicium sphériques, des particules de type noyau-coquille constituées de noyaux de silicium entourés de revêtements protecteurs et des particules de silicium avec des surfaces gravées.