Une nouvelle technique "one-pot" pour la synthèse de matériaux
La recherche a permis de créer simultanément des électrolytes inorganiques et polymères pour batteries, avec des applications potentielles dans le domaine de la chimie
La création d'électrolytes pour batteries - le composant qui transporte les particules chargées entre les deux bornes d'une batterie - a toujours été un compromis.
Un nouvel article du laboratoire du professeur adjoint Chibueze Amanchukwu (à gauche) de la Pritzker School of Molecular Engineering de l'UChicago, dont le premier auteur est Priyadarshini Mirmira (à droite), démontre une nouvelle technique permettant de fabriquer des électrolytes inorganiques et polymères en même temps et dans le même récipient.
UChicago Pritzker School of Molecular Engineering / John Zich
Les électrolytes inorganiques à l'état solide déplacent les particules de manière extrêmement efficace, mais le fait qu'ils soient solides et inorganiques signifie qu'ils sont également fragiles, difficiles à travailler et à connecter de manière transparente avec les bornes. Les électrolytes polymères sont faciles à travailler, mais ils ne déplacent pas aussi bien les ions chargés.
Mélanger les deux pour créer des électrolytes hybrides donne des résultats mitigés.
"Il y a un dilemme. L'hybride est-il le meilleur des deux mondes en termes de conductivité ionique supérieure grâce à l'inorganique et de bonnes propriétés mécaniques grâce au polymère, ou s'agit-il d'une combinaison de leurs pires propriétés ?", explique le professeur adjoint Chibueze Amanchukwu de l'École d'ingénierie moléculaire Pritzker de l'université de Chicago (UChicago PME).
Une nouvelle technique du laboratoire d'Amanchukwu permet de fabriquer des électrolytes inorganiques et polymères en même temps, dans le même récipient. Cette méthode in situ "one-pot" crée un mélange contrôlé et homogène, associant la conductivité des solides inorganiques à la flexibilité des polymères.
"Lorsque vous fabriquez des batteries au lithium métal, la méthode in situ est bien plus performante que la méthode de mélange physique", a déclaré M. Amanchukwu.
Leurs travaux ont été publiés dans la revue Chemistry of Materials.
Bien que l'étude se soit concentrée sur les électrolytes de batteries, la nouvelle technique aura un impact dans la recherche sur les semi-conducteurs, l'électronique, les revêtements industriels, les produits d'étanchéité et tout autre domaine faisant appel à des matériaux hybrides.
"Disons que vous voulez quelque chose qui s'étire vraiment bien et qui peut se tordre et tourner - comme l'électronique portable - ce que vous pourriez faire, c'est concevoir le polymère de telle sorte que vous ayez la flexibilité mécanique avec ce matériau", a déclaré le premier auteur Priyadarshini Mirmira, PhD'24.
Unir les flux
La fabrication de matériaux hybrides implique actuellement deux flux de synthèse. Les matériaux inorganiques et polymères sont fabriqués séparément, même si les deux sont synthétisés en même temps, puis il faut compter le temps supplémentaire nécessaire pour mélanger les deux matériaux.
C'est un inconvénient en laboratoire, mais un obstacle économique aux échelles de production de masse exigées par l'industrie.
"D'un point de vue industriel, il est vraiment difficile et coûteux d'essayer de passer à l'échelle supérieure", explique Mirmira. "Si l'on peut fabriquer les deux en une seule fois, on réduit la main-d'œuvre nécessaire à la fabrication du matériau hybride.
Le mélange de matériaux synthétiques de haute technologie présente les mêmes problèmes que le mélange de flocons d'avoine : les grumeaux. Un mélange coagulé et grumeleux est synonyme de batteries inefficaces, de produits d'étanchéité agglutinés et d'électronique moins utile.
"J'ai fabriqué la poudre, la céramique, le polymère, laissez-moi les mélanger", a déclaré M. Amanchukwu. "Le défi est de savoir ce qu'est un bon mélange. Voulez-vous un bon mélange ? Ne le voulez-vous pas ? Les particules s'agglomèrent-elles ? Est-ce qu'elles ne s'agglomèrent pas ?"
Non seulement le fait de réunir les matériaux dans un même pot crée un mélange physique parfait, mais l'équipe a également constaté que certains matériaux s'assemblaient chimiquement.
"Pour certaines combinaisons de précurseurs inorganiques et de précurseurs polymères, nous avons observé des signes de réticulation, c'est-à-dire une liaison chimique entre le précurseur inorganique et le précurseur polymère", explique M. Amanchukwu. "Il s'agit là d'une nouvelle chimie des matériaux qui nous a enthousiasmés.
Des applications multiples
L'article s'est concentré sur les batteries au lithium parce qu'elles sont les plus courantes dans les VE, le stockage en réseau et d'autres applications. Mais la technique peut également fonctionner avec des batteries au sodium, qui sont en passe de devenir une alternative moins coûteuse et plus abondante au lithium.
"Il s'agit en fait de changer l'un des réactifs de l'inorganique pour qu'il soit également applicable à une cellule de batterie au sodium", a déclaré Mirmira.
La mise à l'échelle du processus en un seul pot pour atteindre les niveaux nécessaires à la fabrication industrielle nécessitera "quelques boutons différents à régler", a déclaré M. Mirmira. Pour commencer, le processus doit être totalement exempt d'air, traité sous argon ou sous un autre gaz inerte. C'est plus facile à maintenir en laboratoire qu'en usine.
Deuxièmement, la marmite devient chaude. Pour atteindre des niveaux industriels, il faudra un réglage précis : la cuve doit être suffisamment chaude pour synthétiser le polymère, mais pas au point de dépasser la température de dégradation des matériaux.
"Lorsque vous augmentez l'échelle de cette réaction, vous aurez plus de matériaux et la cuve sera encore plus chaude, essentiellement", explique Mirmira. "Il faut donc se préoccuper du contrôle de la température.
Une fois ces obstacles surmontés, la recherche aboutira à des hybrides parfaits et homogènes, créés de manière économiquement et chimiquement efficace.
"Ce type de contrôle d'un matériau polymère inorganique entièrement intégré était un défi que nous essayions de relever, et c'est une chose assez géniale que nous avons pu réaliser", a déclaré Mirmira.
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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