L'ajout d'atomes de carbone à un nouveau type de batterie lithium-ion solide pourrait permettre une charge plus rapide et plus sûre.

Les batteries lithium-ion à semi-conducteurs peuvent offrir une sécurité considérablement améliorée, tension et densité d'énergie par rapport aux batteries d'aujourd'hui, qui utilisent des composants liquides. Ils pourraient être utilisés dans les véhicules électriques, ainsi qu'en électronique de puissance. Cependant, ils sont encore à un stade précoce de développement, avec très peu commercialisé à ce jour.

Dans une nouvelle recherche menée par une collaboration internationale dirigée conjointement par le scientifique du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) Brandon Wood et Mirjana Dimitrievska du National Institute of Standards and Technology (NIST), l'équipe a découvert pourquoi le remplacement d'un atome de bore par un atome de carbone dans un matériau électrolytique de batterie clé a permis aux ions lithium de se déplacer encore plus rapidement, ce qui est intéressant pour une batterie à semi-conducteurs plus robuste. C'est un exemple de ce que les scientifiques appellent la « frustration » :la dynamique du système fait en sorte que le lithium n'est jamais satisfait de sa position actuelle, donc ça bouge toujours. La recherche apparaît dans l'édition du 20 février de Matériaux énergétiques avancés .

"Étant donné que la fonctionnalité clé des électrolytes est de transporter des ions, c'est une belle découverte, " dit Wood.

L'un des principaux obstacles est le petit nombre de matériaux d'électrolyte solide candidats qui peuvent transporter efficacement les ions lithium entre les bornes de la batterie. Dans une batterie ordinaire, cela se fait facilement grâce à un liquide, mais les matériaux solides qui peuvent le faire sont extrêmement rares. Certains des matériaux disponibles présentent des problèmes de stabilité. D'autres sont difficiles à traiter. La plupart des candidats restants sont tout simplement trop lents à déplacer les ions lithium, ce qui signifie qu'ils doivent être très fins pour être efficaces.

Le nouveau travail se concentre sur un matériau au sein d'une nouvelle classe de matériaux, closo-borates, qui a récemment été découvert pour avoir une mobilité rapide des ions lithium. Selon Wood, les closo-borates sont électrochimiquement stables et peuvent être facilement traités, offrant des avantages significatifs par rapport à la concurrence. Bien qu'il reste encore quelques obstacles à la commercialisation - une stabilité thermique plus élevée, la résistance mécanique et la cyclabilité sont l'objectif actuel - cette nouvelle classe est un remplacement potentiel attrayant pour les électrolytes solides actuels.

"Un autre avantage clé des closo-borates est leur accordabilité inhérente, " a déclaré Patrick Shea, chercheur postdoctoral au LLNL, qui a développé certains des outils d'analyse utilisés dans l'étude. "Ils peuvent être facilement alliés, ainsi que structurellement et chimiquement modifiés. Dans de nombreux cas, ces changements peuvent considérablement modifier leur comportement."

Des collaborateurs de Sandia National Laboratories et du NIST ont travaillé sur la modification de ces matériaux pour les rendre encore meilleurs. Ils ont découvert que la substitution d'un atome de bore par un atome de carbone accélère le déplacement des atomes de lithium.

Comprendre comment et pourquoi cela se produit nécessite une modélisation approfondie des mécanismes de transport des ions lithium à travers la matrice solide, ainsi qu'une caractérisation expérimentale détaillée pour accompagner et valider les modèles. L'équipe a utilisé une technique avancée de modélisation de la mécanique quantique - la dynamique moléculaire ab initio - et l'a combinée à une technique expérimentale de haute fidélité, diffusion quasi-élastique des neutrons.

Le matériau électrolytique est un sel composé de cations lithium chargés positivement et d'anions closo-borate chargés négativement. La recherche a montré que les anions closo-borate se réorientent rapidement, tournant dans la matrice solide en alternant entre des directions préférées spécifiques. L'ajout de carbone à l'anion closo-borate crée ce qu'on appelle un dipôle, qui repousse le lithium au voisinage local de l'atome de carbone. Pendant que l'anion tourne, l'atome de carbone fait face à des directions différentes, forçant à chaque fois le lithium à s'éloigner vers un site voisin dans la matrice solide. Parce que le sel est plein d'anions en rotation, il en résulte un mouvement très rapide du lithium.

"Maintenant que nous comprenons les conséquences bénéfiques, nous pouvons commencer à réfléchir à la manière d'introduire des effets similaires par modification chimique de l'anion lui-même, " Wood a déclaré. "Nous pouvons également commencer à réfléchir à la façon dont la structure et la chimie sont interdépendantes, ce qui peut donner des indices sur la façon dont les modifications structurelles du matériau pourraient générer de nouvelles améliorations. »

Joël Varley, un scientifique des matériaux LLNL et co-auteur de l'article, a ajouté :« C'est une première étape vers le développement d'une nouvelle classe d'électrolytes solides robustes avec une mobilité ultra-élevée des ions lithium, offrant une alternative attrayante pour les conceptions actuelles de batteries à semi-conducteurs. Le principe de conception général peut également être utile pour optimiser d'autres matériaux électrolytiques solides où les rotations moléculaires jouent un rôle. »