Concevoir de meilleurs électrolytes pour les batteries
L'intelligence artificielle et les laboratoires assistés par des robots pourraient contribuer à accélérer la recherche de meilleurs matériaux pour les batteries.
Regard sur l'avenir des matériaux de batterie. La conception d'une batterie est un processus en trois parties. Il faut une électrode positive, une électrode négative et, surtout, un électrolyte qui fonctionne avec les deux électrodes.
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L'électrolyte est le composant de la batterie qui transfère les ions - particules porteuses de charge - entre les deux électrodes de la batterie, provoquant la charge et la décharge de la batterie. Pour les batteries lithium-ion actuelles, la chimie de l'électrolyte est relativement bien définie. Pour les futures générations de batteries en cours de développement dans le monde et au laboratoire national Argonne du ministère américain de l'énergie (DOE), la question de la conception de l'électrolyte est toutefois très ouverte.
"Alors que nous sommes enfermés dans un concept particulier d'électrolyte qui fonctionnera avec les batteries commerciales actuelles, pour les batteries au-delà du lithium-ion, la conception et le développement de différents électrolytes seront cruciaux", a déclaré Shirley Meng, scientifique en chef au Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science (ACCESS) et professeur d'ingénierie moléculaire à la Pritzker School of Molecular Engineering de l'Université de Chicago. "Le développement de l'électrolyte est l'une des clés des progrès que nous réaliserons pour faire de ces batteries moins chères, plus durables et plus puissantes une réalité, et faire un grand pas vers la poursuite de la décarbonisation de notre économie."
Dans un nouvel article publié dans Science, Meng et ses collègues ont exposé leur vision de la conception des électrolytes pour les futures générations de batteries.
Selon Meng, même des écarts relativement faibles par rapport aux batteries actuelles nécessiteront de repenser la conception de l'électrolyte. Passer d'un oxyde contenant du nickel à un matériau à base de soufre comme principal composant de l'électrode positive d'une batterie lithium-ion pourrait apporter des avantages significatifs en termes de performances et réduire les coûts si les scientifiques parviennent à trouver comment modifier l'électrolyte, a-t-elle déclaré.
Pour les batteries autres que celles au lithium-ion, comme les batteries rechargeables sodium-ion ou lithium-oxygène, les scientifiques devront également accorder une attention considérable à la question de l'électrolyte.
L'un des principaux facteurs pris en compte par les scientifiques dans le développement de nouveaux électrolytes est leur tendance à former une couche intermédiaire appelée interphase, qui exploite la réactivité des électrodes. "Les interphases sont d'une importance cruciale pour le fonctionnement d'une batterie car elles contrôlent la façon dont les ions sélectifs entrent et sortent des électrodes", a déclaré Meng. "Les interphases fonctionnent comme une porte vers le reste de la batterie ; si votre porte ne fonctionne pas correctement, le transport sélectif ne fonctionne pas."
L'objectif à court terme, selon l'équipe, est de concevoir des électrolytes ayant les bonnes propriétés chimiques et électrochimiques pour permettre la formation optimale d'interphases aux électrodes positives et négatives de la batterie. À terme, cependant, les chercheurs pensent qu'ils pourraient être en mesure de mettre au point un groupe d'électrolytes solides qui seraient stables à des températures extrêmes (à la fois élevées et basses) et permettraient aux batteries à haute énergie d'avoir des durées de vie beaucoup plus longues.
"Un électrolyte solide pour une batterie entièrement solide changera la donne", a déclaré Venkat Srinivasan, directeur d'ACCESS, directeur adjoint du Joint Center for Energy Storage Research, et co-auteur de l'article. "La clé d'une batterie solide est une anode métallique, mais ses performances sont actuellement limitées par la formation de structures en forme d'aiguille appelées dendrites qui peuvent court-circuiter la batterie. En trouvant un électrolyte solide qui empêche ou inhibe la formation de dendrites, nous pourrons peut-être profiter des avantages de certaines chimies de batterie vraiment intéressantes."
Afin d'accélérer leur quête d'électrolytes révolutionnaires, les scientifiques se sont tournés vers la puissance de la caractérisation avancée et de l'intelligence artificielle (IA) pour effectuer des recherches numériques parmi un nombre beaucoup plus important de candidats possibles, accélérant ainsi ce qui avait été un processus lent et minutieux de synthèse en laboratoire. "Le calcul à haute performance et l'intelligence artificielle nous permettent d'identifier les meilleurs descripteurs et caractéristiques qui permettront la conception sur mesure de divers électrolytes pour des utilisations spécifiques", a déclaré Meng. "Au lieu d'examiner quelques dizaines de possibilités d'électrolytes par an en laboratoire, nous en examinons plusieurs milliers avec l'aide du calcul."
"Les électrolytes ont des milliards de combinaisons possibles de composants - sels, solvants et additifs - avec lesquels nous pouvons jouer", a déclaré Srinivasan. "Pour transformer ce nombre en quelque chose de plus gérable, nous commençons à utiliser réellement la puissance de l'IA, de l'apprentissage automatique et des laboratoires automatisés."
Les laboratoires automatisés auxquels Srinivasan a fait référence intégreront un régime expérimental piloté par des robots. De cette façon, les machines pourront réaliser sans assistance des expériences de plus en plus soigneusement affinées et calibrées pour finalement déterminer quelle combinaison de composants formera l'électrolyte parfait. "La découverte automatisée peut accroître considérablement la puissance de nos recherches, car les machines peuvent travailler 24 heures sur 24 et réduire le risque d'erreur humaine", a-t-il déclaré.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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