Alors que les énergies renouvelables deviennent une source d'énergie dans le monde, un élément clé échappe encore à l'industrie :à grande échelle, stable, batteries efficaces et abordables.

Les batteries lithium-ion ont fait leurs preuves pour l'électronique grand public, mais les véhicules électriques, les éoliennes ou les réseaux intelligents nécessitent des batteries d'une capacité énergétique bien supérieure. Un concurrent de premier plan est la batterie lithium-métal, qui diffère de la technologie lithium-ion en ce qu'elle contient des électrodes de lithium métal.

Conçu pour la première fois en 1912, les batteries lithium-métal ont le potentiel pour d'énormes quantités de stockage d'énergie à faible coût, mais ils souffrent d'un défaut fatal :les dendrites - des aiguilles pointues constituées d'amas d'atomes de lithium qui peuvent provoquer un échauffement des batteries et parfois un court-circuit et un incendie.

Cependant, la promesse de la technologie a incité les chercheurs et les entreprises à travailler sur des moyens de surmonter ce problème.

"Les batteries lithium-métal sont fondamentalement les batteries de rêve car elles fournissent une densité d'énergie extrêmement élevée, " dit Reza Shahbazian-Yassar, professeur agrégé de génie mécanique et industriel à l'Université de l'Illinois à Chicago (UIC). "Toutefois, nous n'avons pas été en mesure de construire des batteries lithium-métal commercialement viables avec des électrolytes liquides organiques en raison d'un placage de lithium métallique hétérogène qui conduit à des dendrites sous un cycle de batterie prolongé. »

Récemment, équipes de chercheurs, dont Shahbazian-Yassar à l'UIC et Perla Balbuena à la Texas A&M University, se sont rapprochés de la recherche d'une solution, en partie en appliquant la puissance des superordinateurs pour comprendre la chimie et la physique fondamentales à l'œuvre dans la formation des dendrites et pour concevoir de nouveaux matériaux qui peuvent atténuer la croissance des dendrites.

Écrire dans Matériaux fonctionnels avancés en février 2018, les chercheurs ont présenté les résultats d'études sur un nouveau matériau qui pourrait résoudre le problème de longue date des dendrites.

"L'idée était de développer un matériau de revêtement capable de protéger le lithium métal et de rendre le dépôt d'ions beaucoup plus fluide, " dit Balbuena, professeur de génie chimique à Texas A&M et co-auteur de l'article.

Les enquêtes se sont appuyées sur les supercalculateurs Stampede et Lonestar du Texas Advanced Computing Center (TACC), parmi les plus puissants au monde.

ION PACHINKO

Dans le journal, les chercheurs ont décrit une nanofeuille d'oxyde de graphène qui peut être pulvérisée sur un séparateur en fibre de verre qui est ensuite inséré dans la batterie. Le matériau laisse passer les ions lithium, mais ralentit et contrôle la façon dont les ions se combinent avec les électrons de la surface pour devenir des atomes neutres. Au lieu de former des aiguilles, les atomes déposés forment lisses, surfaces planes au bas de la feuille.

Les chercheurs ont utilisé des modèles informatiques et des simulations en tandem avec des expériences physiques et une imagerie microscopique pour révéler comment et pourquoi le matériau contrôle efficacement les dépôts de lithium. Ils ont montré que les ions lithium forment un film mince à la surface de l'oxyde de graphène, puis diffusent à travers des sites défectueux - essentiellement des lacunes dans les couches du matériau - avant de se déposer sous la couche inférieure de l'oxyde de graphène. Le matériau agit comme les chevilles dans un jeu de pachinko, ralentir et diriger les billes de métal lorsqu'elles tombent.

"Notre contribution a été de réaliser des simulations de dynamique moléculaire où nous suivons la trajectoire des électrons et des atomes dans le temps et observons ce qui se passe au niveau atomistique, " Balbuena a déclaré. "Nous étions intéressés à élucider comment les ions lithium se diffusaient à travers le système et devenaient des atomes lorsque le dépôt se termine par un placage de lithium. "

Les batteries dopées à l'oxyde de graphène présentent une durée de vie améliorée et une stabilité jusqu'à 160 cycles, alors qu'une batterie non modifiée perd rapidement son efficacité après 120 cycles. L'oxyde peut être appliqué simplement et à moindre coût avec un pistolet de revêtement par pulvérisation.

La façon dont le spray est appliqué sur les nanofeuilles était un autre objectif de la recherche. « Quand vous faites l'expérience, il n'est pas clair au niveau microscopique où le revêtement va s'asseoir, " dit Balbuena. " C'est très mince, donc localiser ces revêtements avec précision n'est pas anodin."

Leur modèle informatique a exploré s'il serait plus favorable si l'oxyde était orienté parallèlement ou perpendiculairement au collecteur de courant. Les deux peuvent être efficaces, ils ont trouvé, mais si déposé en parallèle, le matériau nécessite un certain nombre de défauts pour le passage des ions.

"Les simulations ont donné à nos collaborateurs des idées sur le mécanisme de transfert d'ions à travers le revêtement, " Balbuena a déclaré. "Il est possible que certaines des directions futures impliquent une épaisseur ou une composition chimique différente en fonction du phénomène que nous avons observé."

EXPLORATION DES MATÉRIAUX DE CATHODE ALTERNATIVE

Dans une recherche distincte, Publié dans ChemSusChem en février 2018, Balbuena et l'étudiant diplômé Saul Perez Beltran ont décrit une conception de batterie qui utilise des feuilles de graphène pour améliorer les performances des cathodes carbone-soufre pour les batteries lithium-soufre, un autre système de stockage potentiel de grande capacité.

Outre l'abondance naturelle du soufre, non-toxicité et à faible coût, une cathode à base de soufre est théoriquement capable de fournir un stockage jusqu'à 10 fois supérieur aux cathodes à oxyde de lithium-cobalt couramment utilisées dans les batteries lithium-ion conventionnelles.

Cependant, les réactions chimiques dans la batterie conduisent à la formation de polysulfures de lithium, composés chimiques contenant des chaînes d'atomes de soufre. Les polysulfures à longue chaîne sont solubles dans l'électrolyte liquide et migrent vers l'anode de lithium métal où ils se décomposent, un effet indésirable. D'autre part, les polysulfures à chaîne courte sont insolubles et restent à la cathode à base de soufre. Les chercheurs ont étudié comment la microstructure de la cathode peut affecter cette chimie.

Ils ont résolu le problème de la formation incontrôlée de polysulfures en créant un matériau composite soufre/graphène qui évite la formation de polysulfures solubles à longue chaîne. Ils ont découvert que les feuilles de graphène apportent de la stabilité à la cathode et améliorent ses capacités de piégeage des ions.

La recherche de Balbuena est soutenue par le ministère de l'Énergie dans le cadre des programmes Battery Materials Research et Battery 500 Seedling, qui visent tous deux à créer plus petit, plus sûr, des batteries plus légères et moins chères pour rendre les véhicules électriques plus abordables.

Stampede et son successeur Stampede2 sont soutenus par des subventions de la National Science Foundation et permettent à des dizaines de milliers de chercheurs de tout le pays d'explorer des problèmes qui ne pourraient pas être résolus autrement.

"Ce sont des calculs très poussés, c'est pourquoi nous avons besoin d'ordinateurs hautes performances, " Balbuena a déclaré. "Nous sommes de gros utilisateurs des ressources TACC et nous sommes très reconnaissants à l'Université du Texas pour nous avoir permis d'utiliser ces installations."

Pour Balbuena, La recherche fondamentale alimentée par des superordinateurs sur les batteries de nouvelle génération est une synthèse parfaite de ses intérêts.

« La recherche est une combinaison de chimie, physique et ingénierie, le tout rendu possible par l'informatique, ce microscope théorique qui peut visualiser les choses par la théorie.