Une structure nouvellement découverte d'un matériau à base de sodium permet aux matériaux d'être utilisés comme électrolyte dans les batteries à l'état solide, selon des chercheurs de Penn State et du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). L'équipe peaufine le matériau à l'aide d'une approche de conception itérative qui, espère-t-elle, permettra de gagner des années entre la recherche et l'utilisation quotidienne.

L'électrolyte, l'une des trois parties principales d'une batterie, est responsable du transfert des ions chargés dans une batterie à semi-conducteurs. Cela crée un courant électrique une fois que les deux autres parties de la batterie, l'anode et la cathode, sont connectés dans un circuit.

La plupart des batteries rechargeables dans les téléphones intelligents, les ordinateurs et autres appareils électroniques grand public utilisent un liquide, électrolyte à base de lithium.

"Les électrolytes liquides ont des problèmes de sécurité car ils sont inflammables, " a déclaré Donghai Wang, professeur agrégé de génie mécanique, État de Penn. "Cela a été la force motrice pour nous de trouver un bon matériau pour une utilisation dans les batteries à semi-conducteurs."

Le nouveau matériau de l'équipe est composé de sodium, phosphoreux, l'étain et le soufre et a une forme cristalline tétragonale. Il a des défauts, ou des espaces où certains sodium, les atomes d'étain et de soufre seraient, et ceux-ci lui permettent de transférer des ions.

Parce que le sodium est beaucoup plus abondant que le lithium, une batterie sodium-ion serait potentiellement beaucoup moins chère à produire qu'une batterie lithium-ion. Le matériau serait également plus sûr à utiliser.

"Notre matériau a une large fenêtre de tension ainsi qu'une stabilité thermique élevée, " dit Zhaoxin Yu, chercheur postdoctoral en génie mécanique et nucléaire, État de Penn. "Lorsque vous chauffez des électrolytes liquides jusqu'à 150 degrés Celsius (302 degrés Fahrenheit), ils prendront feu ou dégageront beaucoup de chaleur qui pourraient endommager d'autres batteries ou composants électroniques. Notre matériau fonctionne bien jusqu'à 400 degrés Celsius (752 degrés Fahrenheit)."

L'équipe a signalé dans Nano énergie que leur matériau a une conductivité ionique à température ambiante environ un dixième de celle des électrolytes liquides utilisés dans les batteries d'aujourd'hui. La découverte importante, ils ont dit, est la configuration spécifique des défauts au sein de la structure cristalline.

"Notre découverte de cette nouvelle structure de ce matériau nous montre également qu'il existe une voie pour créer une nouvelle famille de conducteurs superioniques sodium-ion avancés, " dit Shun-Li Shang, enseignant-chercheur en science et génie des matériaux, État de Penn.

L'équipe a créé et testé cette nouvelle batterie dans le laboratoire de Wang, qui fait partie du Battery and Energy Storage Technology Center de Penn State. En utilisant leur processus de conception collaborative, l'équipe a pu identifier comment différentes formations cristallines, ainsi que des incohérences dans le matériel, ont affecté ses performances.

"Si vous n'avez pas cet ensemble d'outils, il serait difficile de faire une percée, " dit Zi-Kui Liu, professeur distingué de science et d'ingénierie des matériaux, État de Penn. "Notre approche qui utilise à la fois des calculs et des expériences nous permet d'analyser la raison pour laquelle les matériaux fonctionnent différemment. Cela accélérera les choses pour la prochaine phase de conception, car nous savons ce que nous devons contrôler afin d'améliorer le transport des ions."

Une partie de la modélisation de l'équipe a eu lieu sur des superordinateurs hébergés par le Penn State's Institute for CyberScience.