Une nouvelle approche d'analyse et de conception de nouveaux conducteurs ioniques, élément clé des batteries rechargeables, pourrait accélérer le développement des batteries lithium à haute énergie, et éventuellement d'autres dispositifs de stockage et de distribution d'énergie tels que les piles à combustible, disent les chercheurs.

La nouvelle approche repose sur la compréhension de la manière dont les vibrations se déplacent à travers le réseau cristallin des conducteurs lithium-ion et sur la corrélation avec la manière dont elles inhibent la migration des ions. Cela permet de découvrir de nouveaux matériaux avec une mobilité ionique améliorée, permettant une charge et une décharge rapides. À la fois, le procédé peut être utilisé pour réduire la réactivité du matériau avec les électrodes de la batterie, ce qui peut raccourcir sa durée de vie. Ces deux caractéristiques — meilleure mobilité ionique et faible réactivité — ont eu tendance à s'exclure mutuellement.

Le nouveau concept a été développé par une équipe dirigée par W.M. Professeur d'énergie Keck Yang Shao-Horn, étudiante diplômée Sokseiha Muy, récent diplômé John Bachman Ph.D. '17, et chercheur scientifique Livia Giordano, avec neuf autres au MIT, Laboratoire national d'Oak Ridge, et des institutions à Tokyo et Munich. Leurs conclusions ont été publiées dans le journal Sciences de l'énergie et de l'environnement .

Le nouveau principe de conception a été environ cinq ans dans la fabrication, dit Shao-Horn. La réflexion initiale a commencé avec l'approche qu'elle et son groupe ont utilisée pour comprendre et contrôler les catalyseurs de la division de l'eau, et l'appliquer à la conduction ionique - le processus qui est au cœur non seulement des batteries rechargeables, mais aussi d'autres technologies clés telles que les piles à combustible et les systèmes de dessalement. Alors que les électrons, avec leur charge négative, flux d'un pôle de la batterie à l'autre (alimentant ainsi les appareils), les ions positifs circulent dans l'autre sens, par un électrolyte, ou conducteur ionique, pris en sandwich entre ces pôles, pour compléter le flux.

Typiquement, cet électrolyte est un liquide. Un sel de lithium dissous dans un liquide organique est un électrolyte courant dans les batteries lithium-ion d'aujourd'hui. Mais cette substance est inflammable et a parfois provoqué l'incendie de ces batteries. La recherche d'un matériau solide pour le remplacer a été lancée, ce qui éliminerait ce problème.

Il existe une variété de conducteurs ioniques solides prometteurs, mais aucune n'est stable au contact des électrodes positives et négatives des batteries lithium-ion, dit Shao-Horn. Par conséquent, il est essentiel de rechercher de nouveaux conducteurs ioniques solides ayant à la fois une conductivité ionique et une stabilité élevées. Mais trier les nombreuses familles structurelles et compositions différentes pour trouver les plus prometteuses est une aiguille classique dans un problème de botte de foin. C'est là qu'intervient le nouveau principe de conception.

L'idée est de trouver des matériaux qui ont une conductivité ionique comparable à celle des liquides, mais avec la stabilité à long terme des solides. L'équipe a demandé, « Quel est le principe fondamental ? Quels sont les principes de conception au niveau structurel général qui régissent les propriétés souhaitées ? » dit Shao-Horn. Une combinaison d'analyses théoriques et de mesures expérimentales a maintenant apporté quelques réponses, disent les chercheurs.

"Nous avons réalisé qu'il y a beaucoup de matériaux qui pourraient être découverts, mais aucune compréhension ou principe commun qui nous permette de rationaliser le processus de découverte, " dit Muy, l'auteur principal du journal. "Nous avons eu une idée qui pourrait résumer notre compréhension et prédire quels matériaux seraient parmi les meilleurs."

La clé était d'examiner les propriétés de réseau des structures cristallines de ces matériaux solides. Cela régit la façon dont les vibrations telles que les ondes de chaleur et de son, connu sous le nom de phonons, passer à travers les matériaux. Cette nouvelle façon de regarder les structures s'est avérée permettre des prédictions précises des propriétés réelles des matériaux. "Une fois que vous connaissez [la fréquence vibratoire d'un matériau donné], vous pouvez l'utiliser pour prédire une nouvelle chimie ou pour expliquer des résultats expérimentaux, " dit Shao-Horn.

Les chercheurs ont observé une bonne corrélation entre les propriétés de réseau déterminées à l'aide du modèle et la conductivité du matériau conducteur lithium-ion. "Nous avons fait quelques expériences pour soutenir cette idée expérimentalement" et avons trouvé que les résultats correspondaient bien, elle dit.

Ils ont trouvé, en particulier, que la fréquence de vibration du lithium lui-même peut être affinée en ajustant sa structure en treillis, en utilisant des substitutions chimiques ou des dopants pour modifier subtilement l'arrangement structurel des atomes.

Le nouveau concept peut désormais fournir un outil puissant pour développer de nouveaux, des matériaux plus performants qui pourraient conduire à des améliorations spectaculaires de la quantité d'énergie pouvant être stockée dans une batterie d'une taille ou d'un poids donnés, ainsi qu'une sécurité renforcée, disent les chercheurs. Déjà, ils ont utilisé la méthode pour trouver des candidats prometteurs. Et les techniques pourraient également être adaptées pour analyser des matériaux pour d'autres processus électrochimiques tels que les piles à combustible à oxyde solide, systèmes de dessalement à membrane, ou des réactions génératrices d'oxygène.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.