Ici, électrides en couches, tels que Ca2N et Y2C - qui ont un électron occupant un site de réseau - sont prédits comme des hôtes prometteurs pour l'intercalation du fluorure car leurs électrons anioniques créent de grands interstices et leur structure en couches ouvertes permet une diffusivité rapide. Crédit :Singamaneni Lab
Avec une utilisation accrue des batteries rechargeables pour alimenter la technologie moderne, notamment les véhicules électriques, les chercheurs ont recherché des matériaux alternatifs pour le lithium-ion dans les batteries rechargeables.
Les batteries modernes utilisent du lithium et du cobalt, mais ceux-ci ont une offre très limitée.
Les scientifiques des matériaux de la McKelvey School of Engineering de l'Université de Washington à St. Louis ont trouvé une alternative potentielle au lithium dans le fluor, un élément relativement abondant et léger. Leur recherche a été imprimée le 7 décembre dans le Journal de la chimie des matériaux .
De façon intéressante, l'ion fluorure est le miroir opposé de l'ion lithium, ayant la plus forte attraction pour les électrons, ce qui lui permet de réaliser facilement des réactions électrochimiques. Des chercheurs japonais testent également des batteries au fluorure-ion comme remplacements possibles des batteries lithium-ion dans les véhicules. Ils disent que ces batteries pourraient permettre aux véhicules électriques de fonctionner 1, 000 kilomètres (621 miles) sur une seule charge. Cependant, les batteries fluorure-ion actuelles ont une mauvaise cyclabilité, c'est-à-dire ils ont tendance à se dégrader rapidement avec les cycles de charge-décharge.
Les chercheurs Steven Hartman et Rohan Mishra ont adopté une nouvelle approche de la conception des batteries fluorure-ion, identifier deux matériaux qui gagnent ou perdent facilement des ions fluorure tout en subissant de petits changements structurels pour permettre une bonne cyclabilité. Mishra, professeur assistant en génie mécanique et science des matériaux, a déclaré que les nouveaux matériaux de la batterie sont tous deux des électrides en couches.
Les électrides sont une classe de matériaux relativement nouvelle qui est connue en principe depuis environ 50 ans, mais ce n'est qu'au cours des 10 à 15 dernières années que leurs propriétés ont été mieux comprises, dit Mishra. Alors que ces matériaux conduisent les électrons comme les métaux ordinaires, contrairement à la "mer d'électrons" dans les métaux où les électrons sont délocalisés dans tout le cristal, en électris, les électrons résident dans des sites interstitiels spécifiques au sein de la structure cristalline, semblable à un ion.
"Nous prédisons que ces électrons interstitiels peuvent être facilement remplacés par des ions fluorure sans déformations significatives de la structure cristalline, permettant ainsi la cyclabilité, ", a déclaré Mishra. "Les ions fluorure peuvent également se déplacer ou diffuser assez facilement en raison de la structure relativement ouverte des électrides en couches."
Hartman, un ancien élève de l'Institut des sciences et de l'ingénierie des matériaux qui a obtenu un doctorat dans le laboratoire de Mishra avant d'accepter une bourse postdoctorale au Laboratoire national de Los Alamos, ont utilisé des calculs de mécanique quantique pour tester des dizaines de batteries candidates potentielles.
Les tests informatisés ont introduit du fluorure dans les espaces interstitiels des électrures en couches de nitrure de dicalcium et d'hypocarbure d'yttrium. Les capacités de stockage d'énergie étaient proches des performances des batteries lithium-ion. Dans le cas du nitrure dicalcique, il est constitué d'éléments relativement abondants et peut permettre de pallier la pénurie d'éléments actuellement utilisés dans les batteries lithium-ion.
Hartman a comparé l'étude de la batterie avec certains des autres travaux du groupe Mishra, qui utilise des techniques d'apprentissage automatique « big data » pour passer au crible des milliers de candidats.
"Cela a pris plus d'intuition et d'essais et erreurs que d'autres études que nous avons faites, " dit Hartman. " En principe, vous pouvez ajouter beaucoup d'ions fluorure aux électrodes conventionnelles pour stocker beaucoup de charge, mais en pratique, ces capacités théoriques sont difficiles à gérer. Lorsque nous ajoutons du fluorure aux électrodes conventionnelles, ils gonflent et rétrécissent considérablement au fur et à mesure qu'il se charge et se décharge, et cela peut entraîner des fissures et une perte de contact électrique."
Il est essentiel de minimiser ce changement de volume et de forme pour créer une batterie au fluorure durable.
"Dans ces matériaux d'électride en couches, nous prédisons que l'ajout et la suppression des ions fluorure entraîneraient des changements structurels beaucoup plus petits, aidant ainsi à prolonger la durée de vie du vélo, " a déclaré Hartman.
Le laboratoire de Mishra cherche à collaborer avec des chercheurs capables de synthétiser les électrides prometteurs identifiés dans cette étude et de les tester dans des prototypes de batteries.
La McKelvey School of Engineering comprend un groupe de professeurs interdisciplinaires menant des recherches sur les batteries. Des recherches récentes de Peng Bai, professeur assistant en énergie, génie environnemental et chimique, a permis d'approcher le seuil de densité de courant de la batterie et de prédire avec précision le temps de court-circuit pour toute densité de courant particulière.
Jason Il, professeur d'énergie, génie environnemental et chimique, a récemment mené une étude de faisabilité pour le "remplissage" électrochimique de batteries lithium-ion dans les électrodes usagées pour régénérer des composés utiles, tels que l'oxyde de cobalt et de lithium.
