Les scientifiques cherchent des moyens d'améliorer la capacité d'une batterie à conserver une charge plus longtemps, en utilisant des matériaux avancés qui sont sûrs, stable et efficace, ont déterminé que les matériaux eux-mêmes ne sont qu'une partie de la solution.

En réalité, études à l'interface des matériaux des batteries, ainsi qu'une connaissance accrue des processus à l'œuvre, libèrent une vague de connaissances nécessaires pour répondre plus rapidement à la demande d'électronique portable plus durable, véhicules électriques et stockage d'énergie stationnaire pour le réseau électrique.

"Si nous avons besoin d'un meilleur stockage d'énergie, nous devons mieux comprendre ce qui se passe à l'interface entre l'électrolyte et le matériau de la batterie ou du supercondensateur, " a déclaré Yury Gogotsi de l'Université Drexel, l'auteur correspondant pour un article de revue prospectif publié dans Nature Avis Matériaux .

Drexel est une université partenaire des Fluid Interface Reactions, Ouvrages et transports, ou PREMIER, centre, un centre de recherche Energy Frontier situé au Oak Ridge National Laboratory et financé par le ministère de l'Énergie.

Depuis 11 ans, un groupe de scientifiques du centre FIRST axé sur la recherche électrochimique étudie les interfaces des matériaux pour le stockage de l'énergie. "C'est la clé - c'est là que l'action se produit dans le stockage d'énergie, " dit Gogotsi. " En gros, c'est la frontière du stockage d'énergie."

Le marché de l'électronique est dominé par les batteries lithium-ion et les supercondensateurs. Ils sont utilisés dans de multiples applications grand public et industrielles qui nécessitent un stockage électrochimique de l'énergie, ou EES, dispositifs, parce qu'ils sont connus pour fonctionner de manière sûre et efficace dans divers environnements, surtout à haute ou basse température.

L'électrolyte est un composant essentiel des dispositifs EES. C'est le pont conducteur pour transporter les ions entre les électrodes positives et négatives. La qualité de ce processus détermine les performances de l'appareil :la rapidité avec laquelle la batterie peut être chargée et la quantité d'énergie qu'elle peut fournir lorsqu'elle est déchargée. Des modifications indésirables de l'électrolyte peuvent également avoir un impact sur le nombre de cycles de charge qu'il peut supporter avant que la batterie ne devienne moins efficace.

Selon le document de synthèse, les liquides ioniques sont prometteurs en tant qu'alternative sûre aux électrolytes organiques conventionnels. Liquides ioniques, ou IL, sont connus pour être stables et ininflammables et ont tendance à ne pas s'évaporer. Ils peuvent potentiellement fonctionner jusqu'à six volts, ce qui offre la possibilité d'une densité d'énergie plus élevée. (Une batterie domestique standard est d'environ 1,5 volts, et une batterie lithium-ion est de 3 à 3,5 volts.)

Cependant, l'interaction des IL avec des matériaux nouvellement développés n'est pas bien comprise. Des études d'électrodes améliorées ont enregistré des temps de charge plus rapides, mais ces batteries utilisaient des électrolytes conventionnels. Les IL ont tendance à se charger plus lentement; encore, la recherche d'électrodes et d'ILs avancés à l'interface pourrait à terme améliorer les performances de la batterie ou du supercondensateur tout en tirant parti des avantages connus des IL.

L'équipe de scientifiques de l'ORNL, Drexel, Université de Boston et Université de Californie, Bord de rivière, suggèrent une approche holistique afin que l'ensemble du dispositif de stockage d'énergie puisse fonctionner avec succès.

« L'objectif principal de cette revue prospective est de définir l'orientation de la recherche, guider la communauté où chercher des solutions, profiter des avantages que peuvent offrir les liquides ioniques et résoudre les problèmes existants pour un stockage d'énergie plus sûr, " il a dit.

Pour aller de l'avant avec la mise en correspondance de milliers de liquides ioniques avec de nombreux choix de nouveaux matériaux de batterie avancés, il faudra une puissance de calcul, l'apprentissage automatique et l'intelligence artificielle pour gérer les quantités massives de données et les combinaisons possibles et les résultats potentiels.

Le FIRST EFRC de l'ORNL utilise une approche de modélisation informatique pour parvenir à une compréhension fondamentale et à des modèles conceptuels et informatiques validés expérimentalement des interfaces fluide-solide trouvées dans les systèmes et dispositifs énergétiques avancés, y compris les piles, supercondensateurs et cellules photo et électrochimiques.

Le centre représente une approche unique, rassembler les créatifs, équipes scientifiques multidisciplinaires pour relever les défis les plus difficiles empêchant les progrès des technologies énergétiques.

"La mission de notre centre est de parvenir à une compréhension fondamentale et validée, modèles prédictifs des origines atomistiques de l'électrolyte et du transport couplé d'électrons sous nanoconfinement. Cela permettra des avancées transformatrices dans le stockage capacitif d'énergie électrique et d'autres systèmes interfaciaux pertinents pour l'énergie, " a déclaré Sheng Dai de l'ORNL, qui dirige le PREMIER EFRC.

"La compréhension approfondie du couplage matériau d'électrode-liquide ionique fait partie de l'équation pour accomplir notre mission, " il ajouta.

Le papier intitulé, "Couplage matériau d'électrode-liquide ionique pour le stockage d'énergie électrochimique, " a été co-écrit par Xuehang Wang, Babak Anasori et Yury Gogotsi de l'Université Drexel; Maryam Salari, Jennifer Chapman Varela et Mark W. Grinstaff de l'Université de Boston; De-en Jiang de l'Université de Californie, Bord de rivière ; et David J. Wesolowski et Sheng Dai de l'ORNL.