En route vers de meilleures batteries à semi-conducteurs
Une équipe dirigée par le Berkeley Lab conçoit des batteries de nouvelle génération au niveau atomique
Une équipe du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et de l'Université d'État de Floride a conçu un nouveau modèle de batteries à l'état solide qui dépendent moins d'éléments chimiques spécifiques, en particulier de métaux critiques dont l'approvisionnement est difficile en raison de problèmes de chaîne d'approvisionnement. Leurs travaux, publiés récemment dans la revue Science, pourraient faire progresser les batteries à l'état solide qui sont efficaces et abordables.
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Des images de microscopie électronique à transmission à balayage révèlent la distribution des éléments dans un électrolyte solide "désordonné" : Rangée supérieure : titane (Ti), zirconium (Zr) et étain (Sn) ; rangée inférieure : hafnium (Hf), phosphore (P) et oxygène (O). Barre d'échelle : 50 nanomètres.
Yan Zeng and Gerd Ceder/Berkeley Lab
Vantées pour leur haute densité énergétique et leur sécurité supérieure, les batteries à l'état solide pourraient changer la donne pour l'industrie de la voiture électrique. Mais la mise au point d'une batterie abordable et suffisamment conductrice pour alimenter une voiture sur des centaines de kilomètres en une seule charge a longtemps été un obstacle difficile à surmonter.
"Avec notre nouvelle approche des batteries à l'état solide, il n'est pas nécessaire de renoncer à l'abordabilité pour obtenir des performances. Notre travail est le premier à résoudre ce problème en concevant un électrolyte solide composé non pas d'un seul métal, mais d'une équipe de métaux abordables", a déclaré le coauteur Yan Zeng, chercheur à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab.
Dans une batterie lithium-ion, l'électrolyte fonctionne comme un centre de transfert où les ions de lithium se déplacent avec la charge électrique pour alimenter un dispositif ou recharger la batterie.
Comme les autres batteries, les batteries à électrolyte solide stockent l'énergie et la libèrent ensuite pour alimenter des appareils. Mais au lieu des électrolytes liquides ou des gels polymères que l'on trouve dans les batteries lithium-ion, elles utilisent un électrolyte solide.
Le gouvernement, la recherche et le monde universitaire ont fortement investi dans la recherche et le développement de batteries à l'état solide, car les électrolytes liquides conçus pour de nombreuses batteries commerciales sont plus susceptibles de surchauffer, de prendre feu et de perdre leur charge.
Cependant, bon nombre des batteries à l'état solide construites jusqu'à présent sont basées sur des types spécifiques de métaux qui sont chers et ne sont pas disponibles en grandes quantités. Certains ne sont pas du tout disponibles aux États-Unis.
Pour l'étude actuelle, Zeng, Bin Ouyang, professeur adjoint de chimie et de biochimie à l'université d'État de Floride, et l'auteur principal Gerbrand Ceder, chercheur principal au Berkeley Lab et professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'université de Berkeley, ont démontré un nouveau type d'électrolyte solide constitué d'un mélange de divers éléments métalliques. Zeng et Ouyang ont eu l'idée de ce travail alors qu'ils terminaient leurs recherches postdoctorales au Berkeley Lab et à l'UC Berkeley sous la supervision de Ceder.
Ces nouveaux matériaux pourraient permettre de créer un électrolyte solide plus conducteur et moins dépendant d'une grande quantité d'un élément individuel.
Lors d'expériences menées au Berkeley Lab et à l'UC Berkeley, les chercheurs ont fait la démonstration du nouvel électrolyte solide en synthétisant et en testant plusieurs matériaux lithium-ion et sodium-ion avec de multiples métaux mixtes.
Ils ont observé que les nouveaux matériaux multimétalliques se sont révélés plus performants que prévu, affichant une conductivité ionique de plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle des matériaux monométalliques. La conductivité ionique est une mesure de la vitesse à laquelle les ions de lithium se déplacent pour conduire la charge électrique.
Selon les chercheurs, le mélange de plusieurs types de métaux différents crée de nouvelles voies - un peu comme l'ajout de voies rapides sur une autoroute encombrée - par lesquelles les ions de lithium peuvent se déplacer rapidement dans l'électrolyte. Sans ces voies, le mouvement des ions lithium serait lent et limité lorsqu'ils se déplacent dans l'électrolyte d'un bout à l'autre de la batterie, a expliqué M. Zeng.
Pour valider les candidats à la conception multi-métal, les chercheurs ont effectué des calculs théoriques avancés basés sur une méthode appelée théorie de la densité-fonctionnelle sur les superordinateurs du National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). À l'aide de microscopes électroniques à transmission par balayage (STEM) à la Fonderie moléculaire, les chercheurs ont confirmé que chaque électrolyte est composé d'un seul type de matériau - ce que les scientifiques appellent une "phase unique" - avec des distorsions inhabituelles donnant lieu aux nouvelles voies de transport des ions dans sa structure cristalline.
Cette découverte ouvre de nouvelles perspectives pour la conception de conducteurs ioniques de nouvelle génération. La prochaine étape de cette recherche consistera à appliquer la nouvelle approche que Zeng a développée avec Ceder au Berkeley Lab pour explorer et découvrir de nouveaux matériaux d'électrolyte solide susceptibles d'améliorer encore les performances des batteries.
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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