L'effet roue à aubes. Au dessus d'une certaine température, SO???² les anions commencent à tourner, et simultanément à proximité Li? les cations deviennent très mobiles. Les travaux de Linda Nazar montrent que dans certains électrolytes solides, la modification de la composition chimique permet la rotation des anions et l'effet roue à aubes en dessous de la température ambiante. Crédit :Laboratoire National d'Argonne
Le stockage d'électricité dans les batteries est de plus en plus demandé pour les smartphones, ordinateurs portables, voitures et le réseau électrique. Les batteries à semi-conducteurs font partie des technologies de nouvelle génération les plus prometteuses car elles offrent un niveau de sécurité plus élevé et une durée de vie potentiellement plus longue.
Le Centre commun de recherche sur le stockage de l'énergie (JCESR) a fait des progrès significatifs avec les batteries à semi-conducteurs en tant que successeurs des batteries lithium-ion (Li-ion) d'aujourd'hui. Un défi majeur avec les batteries à l'état solide est d'augmenter la diffusivité des ions Li dans l'électrolyte à l'état solide, ce qui est généralement plus lent que dans les électrolytes organiques liquides maintenant utilisés dans les batteries Li-ion.
Linda Nazar du JCESR, un éminent professeur à l'Université de Waterloo, et Zhizhen Zhang, son associée de recherche postdoctorale, ont publié leurs recherches sur l'amélioration de la mobilité des Li-ions dans les batteries à l'état solide en utilisant l'effet de roue à aubes, qui est le mouvement coordonné des atomes, dans un article intitulé :"Targeting Superionic Conductivity at Room Temperature by Turning on Anion Rotation in Fast Ion Conductors" le 3 juin dans Question , un journal mensuel de la science des matériaux. JCESR est un pôle d'innovation énergétique dirigé par le laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE). L'Université de Waterloo est l'un des 18 partenaires du JCESR.
Batteries à semi-conducteurs, utiliser des électrolytes solides à la place des électrolytes organiques liquides habituels, ont émergé comme des remplacements prometteurs pour les batteries Li-ion d'aujourd'hui, selon Nazar.
« Ils offrent le potentiel de batteries plus sûres et plus durables qui peuvent fournir une densité d'énergie plus élevée importante pour une grande variété d'applications de stockage d'énergie électrochimique, tels que les véhicules, robots, drones et plus, " a déclaré Nazar. "En tant que composant le plus important des batteries à semi-conducteurs, l'électrolyte solide détermine dans une large mesure sa sécurité et sa stabilité au cycle."
Une réaction chimique indésirable, appelée réaction d'emballement thermique, a conduit à des incendies et des explosions impliquant les batteries Li-ion d'aujourd'hui qui continuent à brûler jusqu'à ce qu'elles soient à court de carburant. En raison de ces dangers, JCESR cherche à éliminer l'électrolyte organique liquide interne en le remplaçant par un solide.
Très peu d'électrolytes à l'état solide ont une conductivité ionique aussi élevée que les électrolytes organiques liquides, et ils reçoivent la part du lion de l'attention. Le JCESR explore un phénomène prometteur qui accélère considérablement la diffusion des ions :le mouvement de rotation des ions négatifs normalement statiques (c. anions) dans le cadre de l'électrolyte à l'état solide qui aident à conduire le mouvement du Li + ions positifs (c'est-à-dire cations).
"En réalité, il s'avère que les « blocs de construction » anioniques qui constituent le cadre solide ne sont pas rigides, mais subissent un mouvement de rotation, " a déclaré Nazar. " Notre étude aborde ce principe pour montrer que la dynamique des anions dans le cadre du solide améliore Li + transport de cations. La dynamique anionique peut être « activée » même à température ambiante en ajustant le cadre, et la dynamique des anions est fortement couplée à la diffusion des cations par l'effet roue à aubes. Cela s'apparente un peu au transport de personnes à travers une porte tournante à plusieurs personnes."
Alors que de nouveaux électrolytes solides sont encore au stade de développement, les avancées sont encourageantes. Une percée changerait la donne et augmenterait considérablement la sécurité et le déploiement des batteries Li-ion, selon le directeur du JCESR George Crabtree.
"Si vous pouvez trouver un électrolyte à l'état solide permettant un Li rapide + mouvement cationique, ce serait un remplacement instantané des électrolytes organiques liquides et débarrasserait immédiatement les batteries de la réaction d'emballement thermique, la principale cause d'incendie dans les batteries Li-ion d'aujourd'hui." a déclaré Crabtree. "Pour ses seuls avantages en matière de sécurité, il y aurait un énorme marché pour cela dans les téléphones portables, ordinateurs portables, enregistreurs vidéo, les voitures et le réseau électrique."
L'enthousiasme intellectuel pour les batteries à semi-conducteurs est partagé au sein du JCESR. D'autres collaborateurs de l'Université du Michigan et du MIT explorent également les électrolytes solides et l'effet roue à aubes. Les batteries à l'état solide sont l'une des avancées les plus prometteuses et les plus recherchées pour l'industrie, dit Crabtree.
"JCESR veut comprendre les origines atomiques et moléculaires du comportement des batteries. Avec cette connaissance, nous pouvons construire la batterie de bas en haut, atome par atome et molécule par molécule, où chaque atome et chaque molécule jouent un rôle prescrit dans la production du comportement de batterie ciblé, " a déclaré Crabtree. " L'effet roue à aubes en est un exemple. Cet article est à la frontière même du comportement des électrolytes solides, et nous voulons transférer ces connaissances au secteur commercial."
