Des batteries lithium-ion aux supraconducteurs de nouvelle génération, la fonctionnalité de nombreuses technologies modernes et avancées dépend de la propriété physique appelée intercalation. Malheureusement, il est difficile d'identifier à l'avance lesquels des nombreux matériaux intercalés possibles sont stables, ce qui nécessite de nombreux essais et erreurs en laboratoire lors du développement du produit.

Or, dans une étude récemment publiée dans ACS Physical Chemistry Au , des chercheurs de l'Institut des sciences industrielles de l'Université de Tokyo et des partenaires collaborateurs ont mis au point une équation simple qui prédit correctement la stabilité des matériaux intercalés. Les lignes directrices de conception systématique permises par ce travail accéléreront le développement des futurs dispositifs électroniques et de stockage d'énergie haute performance.

Pour apprécier les réalisations de l’équipe de recherche, nous devons comprendre le contexte de cette recherche. L'intercalation est l'insertion réversible d'invités (atomes ou molécules) dans des hôtes (par exemple, des matériaux en couches 2D). Le but de l'intercalation est généralement de modifier les propriétés ou la structure de l'hôte pour améliorer les performances de l'appareil, comme on le voit, par exemple, dans les batteries lithium-ion commerciales.

Bien que de nombreuses méthodes de synthèse soient disponibles pour préparer des matériaux intercalés, les chercheurs ne disposaient d'aucun moyen fiable pour prédire quelles combinaisons hôte-invité sont stables. Par conséquent, de nombreux travaux de laboratoire ont été nécessaires pour concevoir de nouveaux matériaux intercalés permettant de conférer des fonctionnalités aux dispositifs de nouvelle génération. L'objectif de l'étude de l'équipe de recherche était de minimiser ce travail de laboratoire en proposant un outil prédictif simple pour la stabilité hôte-invité.

"Nous sommes les premiers à développer des outils prédictifs précis pour les énergies d'intercalation hôte-invité et la stabilité des composés intercalés", explique Naoto Kawaguchi, auteur principal de l'étude. "Notre analyse, basée sur une base de données de 9 000 composés, utilise des principes simples issus de la chimie de première année."

L'un des points forts de ces travaux est que seuls deux propriétés invitées et huit descripteurs dérivés de l'hôte ont été nécessaires aux calculs d'énergie et de stabilité des chercheurs. En d’autres termes, les « meilleures estimations » initiales n’étaient pas nécessaires; uniquement la physique sous-jacente des systèmes hôte-invité. De plus, les chercheurs ont validé leur modèle par rapport à près de 200 ensembles de coefficients de régression.

"Nous sommes ravis car la formulation de notre modèle de régression est simple et physiquement raisonnable", déclare Teruyasu Mizoguchi, auteur principal. "Les autres modèles informatiques dans la littérature manquent de base physique ou de validation contre des composés intercalés inconnus."

Ce travail constitue une étape importante dans la réduction du travail laborieux en laboratoire généralement requis pour préparer les matériaux intercalés. Étant donné que de nombreux dispositifs électroniques et de stockage d'énergie actuels et futurs dépendent de tels matériaux, le temps et les dépenses nécessaires à la recherche et au développement correspondants seront minimisés. Par conséquent, les produits dotés de fonctionnalités avancées arriveront sur le marché plus rapidement que ce qui était possible auparavant.

Plus d'informations : Naoto Kawaguchi et al, Démêler la stabilité des composés d'intercalation en couches grâce à des calculs selon les premiers principes :établissement d'une relation d'énergie libre linéaire avec des ions aqueux, ACS Physical Chemistry Au (2024). DOI :10.1021/acsphyschemau.3c00063

Fourni par l'Université de Tokyo