Amélioration de la fabrication des piles : un laboratoire robotique teste une nouvelle stratégie de conception des réactions
Le mélange d'ingrédients non conventionnels dans le bon ordre permet de fabriquer des matériaux complexes contenant moins d'impuretés
De nouvelles chimies pour les batteries, les semi-conducteurs et autres pourraient être plus faciles à fabriquer, grâce à une nouvelle approche de la production de matériaux chimiquement complexes, démontrée par des chercheurs de l'université du Michigan et du laboratoire de matériaux avancés de Samsung.
Leurs nouvelles recettes utilisent des ingrédients non conventionnels pour fabriquer des matériaux de batterie contenant moins d'impuretés, nécessitant moins d'étapes de raffinage coûteuses et augmentant leur viabilité économique.
"Au cours des deux dernières décennies, de nombreux matériaux de batterie présentant une capacité, une vitesse de charge et une stabilité accrues ont été conçus par calcul, mais n'ont pas été commercialisés", a déclaré Wenhao Sun, titulaire de la chaire Dow Early Career de science et d'ingénierie des matériaux à l'université de Michigan et auteur correspondant de l'étude publiée dans la revue Nature Synthesis.
"Souvent, un matériau simple est un bon point de départ, mais lorsque vous ajoutez un peu de composé A et un peu de composé B, la magie opère et vous obtenez de grandes améliorations en termes de capacité ou de taux de charge. Cependant, ces matériaux chimiquement complexes sont souvent difficiles à fabriquer à grande échelle avec une grande pureté".
Les matériaux pour batteries sont généralement fabriqués en mélangeant plusieurs poudres d'oxyde différentes et en les faisant cuire dans un four. Toutefois, ces poudres réagissent en séquence et non pas toutes en même temps. Les deux premiers ingrédients à réagir sont généralement ceux qui libèrent le plus d'énergie lors de la réaction. La première réaction produit un composé intermédiaire qui réagit ensuite avec le reste de la poudre, et ainsi de suite, jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de réactions possibles.
Si les liaisons chimiques des composés intermédiaires sont difficiles à rompre, il se peut qu'ils ne réagissent pas complètement avec les autres ingrédients. Lorsqu'ils ne réagissent pas complètement, les composés intermédiaires restent dans le matériau final en tant qu'impuretés indésirables.
"Nous avons conçu une stratégie pour fabriquer des matériaux sans impuretés de manière plus fiable", explique Jiadong Chen, premier auteur de l'étude et doctorant à l'U-M en science et ingénierie des matériaux et en informatique scientifique. "L'astuce consiste à ne travailler qu'avec deux ingrédients à la fois et à fabriquer délibérément des intermédiaires instables qui réagiront complètement avec les ingrédients restants".
Pour tester cette stratégie, l'équipe de M. Sun a conçu 224 recettes différentes afin de créer 35 matériaux connus différents contenant des éléments utilisés dans les piles actuelles et les piles "au-delà du lithium" de la prochaine génération.
Les chercheurs ont ensuite collaboré avec le laboratoire des matériaux avancés de Samsung Semiconductor à Cambridge, dans le Massachusetts, pour vérifier si leurs recettes produisaient ces 35 matériaux avec moins d'impuretés que les recettes conventionnelles. Le laboratoire robotique automatisé de Samsung peut synthétiser jusqu'à 24 matériaux de batterie différents toutes les 72 heures.
Des bras robotisés manipulent les ingrédients et font fonctionner l'équipement de laboratoire qui évalue la pureté des matériaux obtenus. Pendant ce temps, des ordinateurs enregistrent automatiquement les résultats de chaque expérience, créant ainsi une base de données que les chercheurs peuvent utiliser pour déterminer les meilleures recettes.
"Grâce au laboratoire automatique, nous avons pu tester notre hypothèse sur diverses chimies de piles", a déclaré M. Chen.
Les expériences ont confirmé que les nouvelles recettes avec des ingrédients conçus pour être instables tendaient à produire des produits plus propres. Les nouvelles recettes ont amélioré la pureté des matériaux jusqu'à 80 %, et six des matériaux ciblés ne pouvaient être fabriqués qu'avec les nouvelles recettes.
Les plans du laboratoire robotisé ont été détaillés dans le rapport de l'équipe, qui, espère M. Sun, permettra à davantage de laboratoires de chimie d'adopter des laboratoires robotisés pour la science et la fabrication de matériaux.
"Nous avons besoin de plus de données - non seulement des recettes réussies, mais aussi de celles qui ne le sont pas - pour améliorer les stratégies de fabrication des matériaux. Un plus grand nombre de laboratoires robotisés permettra de générer les données nécessaires", a déclaré M. Sun.
Ces laboratoires sont à la portée de la plupart des institutions de recherche et pourraient accélérer considérablement le développement des matériaux, selon les chercheurs.
"Le coût de démarrage de l'équipement robotique est d'environ 120 000 dollars, ce qui n'est pas aussi élevé qu'on pourrait le penser. Mais les bénéfices en termes de débit, de fiabilité et de gestion des données sont inestimables", a déclaré Yan Eric Wang, coauteur de l'étude, ingénieur principal et chef de projet du laboratoire des matériaux avancés de Samsung.
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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