Figure 1 :Structure du cristal ionique nouvellement développé. La voie dans laquelle les ions peuvent voyager est surlignée en jaune. Crédit :Université d'Osaka
Une équipe de recherche de l'Université d'Osaka a signalé une nouvelle avancée dans la conception de matériaux destinés à être utilisés dans les batteries rechargeables, dans des conditions d'humidité élevée. En s'inspirant de cellules vivantes qui peuvent bloquer les particules plus petites mais laisser passer les particules plus grosses, les chercheurs ont pu créer un matériau avec des ions potassium très mobiles qui peuvent facilement migrer en réponse aux champs électriques. Ce travail peut aider à rendre les batteries rechargeables suffisamment sûres et peu coûteuses pour réduire considérablement le coût des voitures électriques et des appareils électroniques portables grand public.
Les batteries lithium-ion rechargeables sont largement utilisées dans les ordinateurs portables, téléphones portables, et même des voitures électriques et hybrides. Malheureusement, ces batteries sont chères, et ont même été connus pour s'enflammer à l'occasion. De nouveaux matériaux n'utilisant pas de lithium pourraient réduire le coût et améliorer la sécurité de ces batteries, et ont le potentiel d'accélérer considérablement l'adoption de voitures électriques économes en énergie. Les ions sodium et potassium sont des candidats potentiels qui peuvent être utilisés pour remplacer le lithium, car ils sont bon marché et en grande quantité. Cependant, les ions sodium et potassium sont des ions beaucoup plus gros que le lithium, ils se déplacent donc lentement à travers la plupart des matériaux. Ces ions positifs sont encore ralentis par les fortes forces d'attraction des charges négatives dans les matériaux cristallins. "Les ions potassium possèdent une faible mobilité à l'état solide en raison de leur grande taille, ce qui est un inconvénient pour la construction de batteries, " explique l'auteur correspondant Takumi Konno.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont utilisé le même mécanisme que vos cellules pour permettre aux gros ions potassium de traverser leurs membranes tout en empêchant simultanément les particules plus petites d'entrer. Les systèmes vivants réalisent cet exploit apparemment impossible en considérant non seulement l'ion lui-même, mais aussi les molécules d'eau environnantes, appelé la « couche d'hydratation, " qui sont attirés par la charge positive de l'ion. En fait, plus l'ion est petit, plus sa couche d'hydratation associée sera grande et étroitement liée. Les canaux potassiques spécialisés dans les membranes cellulaires ont juste la bonne taille pour permettre le passage des ions potassium hydratés, mais bloquent les grandes couches d'hydratation des ions plus petits.
Figure 2 :Conductivités du lithium (Li+, rouge), sodium (Na+, vert), et potassium (K+, bleu) à l'intérieur du cristal à différentes températures. Les conductivités augmentent même lorsque la taille des ions augmente. Crédit :Université d'Osaka
Les chercheurs ont développé un cristal ionique utilisant du rhodium, zinc, et des atomes d'oxygène. Tout comme pour les canaux biologiques sélectifs, la mobilité des ions dans le cristal s'est avérée plus élevée pour les plus gros ions potassium, par rapport aux ions lithium plus petits. En réalité, les ions potassium se sont déplacés si facilement, le cristal a été classé comme un "conducteur superionique". Les chercheurs ont découvert que le matériau actuel avait la plus grande mobilité d'ions potassium hydraté jamais vue à ce jour.
"Remarquablement, le cristal présentait une conductivité ionique particulièrement élevée en raison de la migration rapide des ions potassium hydratés dans le réseau cristallin », a déclaré l'auteur principal Nobuto Yoshinari. « Une telle conductivité superionique des ions potassium hydratés à l'état solide est sans précédent, et peut conduire à des batteries rechargeables à la fois plus sûres et moins chères."
