Les ions lithium diffusent rapidement dans le réseau d'une pérovskite fortement corrélée appelée nickelate de samarium. Les calculs quantiques montrent que cette navette rapide se produit en raison de la faible barrière thermodynamique associée au saut des ions Li (représentés par une sphère violette) entre les sites tétraédriques adjacents (cercles violets en pointillés). Le samarium, nickel, et l'oxygène sont représentés en jaune, vert, et les sphères rouges respectivement, tandis que les octaèdres NiO6 sont surlignés en vert. Crédit :Laboratoire National d'Argonne
Des scientifiques du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), en collaboration avec des chercheurs de l'Université Purdue et de l'Université Rutgers, ont fusionné la science des matériaux et la physique de la matière condensée dans une étude d'un matériau solide prometteur qui conduit les ions lithium.
Le transport d'ions, ou des atomes chargés, à travers les matériaux joue un rôle crucial dans de nombreux systèmes électriques, des batteries aux cerveaux. Actuellement, les principaux matériaux conducteurs d'ions sont liquides et organiques, mais le développement de conducteurs ioniques solides et inorganiques pourrait avoir de larges applications dans la conversion d'énergie, bio-ingénierie et traitement de l'information.
Dans cette étude, nickelate de samarium, un matériau qui est aussi un solide, a été montré pour transporter rapidement les ions lithium dans certaines conditions. L'étude a été publiée dans Actes de l'Académie nationale des sciences .
L'étude a indiqué que pour le nickelate de samarium, les phénomènes quantiques en jeu au sein de sa structure moléculaire affectent les propriétés du matériau à plus grande échelle, et ses caractéristiques structurelles inhabituelles peuvent produire des propriétés électroniques favorables.
Dans une étude antérieure, les scientifiques ont découvert que les petits ions, comme les protons, pourrait se déplacer très rapidement à travers le matériau de nickelate de samarium. « Ensuite, nous avons demandé ce qui se passerait si nous insérions des ions légèrement plus gros, comme le lithium, dans la matière, " dit Shriram Ramanathan, co-auteur de l'étude et professeur de génie des matériaux à l'Université Purdue.
Les ions lithium jouent un rôle important dans le monde des batteries :de nombreuses batteries utilisées aujourd'hui reposent sur le transport des ions lithium à travers un matériau électrolyte pour faciliter la circulation du courant électrique.
"Parce que le nickelate de samarium peut facilement transporter des ions lithium à travers son réseau à température ambiante, il a le potentiel d'être utilisé comme électrolyte à l'état solide dans une batterie, " dit Hua Zhou, un physicien d'Argonne. "Cela tombe dans la même catégorie que les meilleurs conducteurs lithium-ion solides que nous ayons vus."
Non seulement le nickelate de samarium transporte rapidement le lithium, il affiche également un niveau de résistance électrique qui est souhaitable dans les matériaux électrolytiques. A lui seul, le nickelate de samarium se comporte comme un métal, permettant aux électrons de passer librement à travers son réseau cristallin. Cependant, lorsque les scientifiques insèrent des ions lithium dans le matériau, la capacité des électrons libres à passer est réduite de huit ordres de grandeur. Cette résistance permet au matériau d'éviter les problèmes qui affligent souvent d'autres électrolytes liquides couramment employés, tels qu'une perte d'énergie inutile et un court-circuit.
« Nous avons identifié un matériau qui a des propriétés isolantes meilleures que les électrolytes liquides comme les carbonates d'alkyle, qui sont couramment utilisés dans les batteries actuelles, et conductivité ionique rare pour un solide, " dit Subramanian Sankaranarayanan, scientifique au Centre des matériaux nanométriques d'Argonne.
