Le remplacement des électrolytes liquides ou polymères volatils et inflammables actuellement utilisés dans les batteries lithium-ion par des conducteurs en céramique lithium-ionique à l'état solide inorganique pourrait améliorer considérablement la sécurité et les performances des cellules. Les conducteurs à semi-conducteurs permettraient une nouvelle chimie des cathodes et des anodes, empêcher la croissance des dendrites Li-métal et pousser la miniaturisation.

Bien que les chercheurs aient étudié plusieurs familles structurelles de conducteurs Li-ion à l'état solide prometteurs au cours des dernières décennies, le fait qu'il existe de nombreuses propriétés souhaitées, y compris la diffusion ionique rapide/superionique des ions Li, très faible mobilité électronique, larges fenêtres de stabilité électrochimique, et une stabilité mécanique élevée—signifie qu'aucun matériau n'a émergé comme un candidat idéal pour le développement et donc la recherche se poursuit.

Les recherches antérieures ont été largement dirigées par l'intuition chimique et réalisées grâce à une enquête expérimentale immédiate. La synthèse de composés ioniques et la mesure de la conductivité ionique sont des tâches laborieuses et les résultats expérimentaux peuvent être difficiles à interpréter. Méthodes de calcul, d'autre part, sont faciles à automatiser et à exécuter en parallèle. C'est-à-dire, ils peuvent identifier efficacement les matériaux qui méritent les tracas et les dépenses d'une enquête expérimentale dans la recherche de nouveaux électrolytes à l'état solide.

Les approches actuelles du criblage informatique reposent sur des simulations de la structure électronique pour déterminer le caractère isolant d'un matériau et sur des simulations de dynamique moléculaire pour prédire les coefficients de diffusion Li-ion. Cela signifie exécuter des milliers de calculs et donc l'automatisation et la reproductibilité sont essentielles. Les méthodes de calcul doivent être suffisamment bon marché pour être utilisées pour des milliers de matériaux, suffisamment précis pour être prédictif. Dans l'article Criblage informatique à haut débit pour les conducteurs Li-ion à semi-conducteurs, les chercheurs présentent un nouveau cadre qui répond à ces exigences. Criblage des composés à travers plusieurs étapes de filtre informatique, ils sondent de nouvelles familles structurelles pour les conducteurs Li-ioniques prometteurs de manière rentable, manière précise.

La nouvelle approche a été utilisée pour cribler deux référentiels de structures expérimentales, l'ICSD et le COD, qui décrivent quelques 1, 400 structures cristallines uniques entre elles. Après avoir identifié les systèmes d'isolation électronique, les scientifiques ont utilisé leur modèle de flipper récemment introduit - un cadre basé sur des observations physiques du comportement des électrons dans un système ionique et qui simplifie grandement la modélisation des conducteurs ioniques - pour identifier les matériaux susceptibles de présenter une diffusion ionique rapide. Quelque 115 structures identifiées ont ensuite été simulées avec une dynamique moléculaire précise des premiers principes pendant un total de 45 nanosecondes à des températures élevées et intermédiaires.

L'approche a abouti à l'identification de cinq matériaux à diffusion ionique rapide - certains dans la gamme du conducteur superionique bien connu Li10GeP2S12 - ainsi que de 40 matériaux qui ont au moins montré une diffusion significative à 1000 K. Bien qu'il ne soit pas possible de dire si ces derniers matériaux peuvent être considérés comme des conducteurs d'ions rapides à des températures plus basses en raison des courtes échelles de temps de l'étude, ils sont prometteurs pour une étude plus détaillée.

Les auteurs attendent les données, les nouvelles méthodes et techniques d'analyse décrites dans l'article seront utiles dans la recherche en cours de nouveaux descripteurs de la diffusion rapide des Li-ions à l'état solide. Ils ont rendu les simulations des premiers principes effectuées dans le document accessibles au public dans une archive open source sur MaterialsCloud