Les batteries et les piles à combustible reposent souvent sur un processus appelé diffusion ionique pour fonctionner. En diffusion ionique, les atomes ionisés se déplacent à travers les matériaux solides, similaire au processus d'absorption d'eau par le riz lorsqu'il est cuit. Tout comme la cuisson du riz, la diffusion des ions est incroyablement dépendante de la température et nécessite des températures élevées pour se produire rapidement.

Cette dépendance à la température peut être limitante, car les matériaux utilisés dans certains systèmes comme les piles à combustible doivent résister à des températures parfois supérieures à 1, 000 degrés Celsius. Dans une nouvelle étude, une équipe de chercheurs du MIT et de l'Université de Münster en Allemagne a montré un nouvel effet, où la diffusion des ions est renforcée alors que le matériau reste froid, en n'excitant qu'un certain nombre de vibrations appelées phonons. Cette nouvelle approche, que l'équipe appelle « catalyse phononique », pourrait déboucher sur un tout nouveau domaine de recherche. Leurs travaux ont été publiés dans Rapports cellulaires Sciences physiques .

Dans l'étude, l'équipe de recherche a utilisé un modèle informatique pour déterminer quelles vibrations ont réellement provoqué le déplacement des ions pendant la diffusion des ions. Plutôt que d'augmenter la température de l'ensemble du matériau, ils ont augmenté la température de ces vibrations spécifiques dans un processus qu'ils appellent excitation de phonons ciblée.

"Nous n'avons chauffé que les vibrations qui comptent, et ce faisant, nous avons pu montrer que vous pouviez garder le matériau froid, mais qu'il se comporte comme s'il faisait très chaud, " dit Asegun Henry, professeur de génie mécanique et co-auteur de l'étude.

Cette capacité à garder les matériaux au frais pendant la diffusion des ions pourrait avoir un large éventail d'applications. Dans l'exemple des piles à combustible, si la cellule entière n'a pas besoin d'être exposée à des températures extrêmement élevées, les ingénieurs pourraient utiliser des matériaux moins chers pour les construire. Cela réduirait le coût des piles à combustible et les aiderait à durer plus longtemps, ce qui résoudrait le problème de la courte durée de vie de nombreuses piles à combustible.

Le processus pourrait également avoir des implications pour les batteries lithium-ion.

« La découverte de nouveaux conducteurs ioniques est essentielle pour faire progresser les batteries au lithium, et les opportunités incluent l'utilisation du lithium métal, qui peut potentiellement doubler l'énergie des batteries lithium-ion. Malheureusement, la compréhension fondamentale de la conduction ionique fait défaut, " ajoute Yang Shao-Horn, W.M. Professeur d'énergie Keck et co-auteur.

Ce nouveau travail s'appuie sur ses recherches antérieures, spécifiquement le travail de Sokseiha Muy Ph.D. sur les principes de conception des conducteurs ioniques, qui montre que l'abaissement de l'énergie des phonons dans les structures réduit la barrière à la diffusion des ions et augmente potentiellement la conductivité des ions. Kiarash Gordiz, un post-doctorant travaillant conjointement avec Henry's Atomistic Simulation and Energy Research Group et Shao-Horn's Electrochemical Energy Laboratory, s'est demandé s'ils pouvaient combiner les recherches de Shao-Horn sur la conduction ionique avec les recherches d'Henry sur le transfert de chaleur.

"En utilisant les travaux antérieurs du professeur Shao-Horn sur les conducteurs ioniques comme point de départ, nous avons cherché à déterminer exactement quels modes de phonons contribuent à la diffusion des ions, " dit Gordiz.

Henri, Gordiz, et leur équipe ont utilisé un modèle pour le phosphate de lithium, que l'on trouve souvent dans les batteries lithium-ion. En utilisant une méthode de calcul connue sous le nom d'analyse en mode normal, ainsi que des calculs de bande élastique poussés et des simulations de dynamique moléculaire, le groupe de recherche a calculé quantitativement la contribution de chaque phonon au processus de diffusion des ions dans le phosphate de lithium.

Armé de cette connaissance, les chercheurs pourraient utiliser des lasers pour exciter ou chauffer sélectivement des phonons spécifiques, plutôt que d'exposer l'ensemble du matériau à des températures élevées. Cette méthode pourrait ouvrir un nouveau monde de possibilités.

L'aube d'un nouveau domaine

Henry pense que cette méthode pourrait conduire à la création d'un nouveau domaine de recherche, qu'il appelle « catalyse phononique ». Alors que les nouveaux travaux se concentrent spécifiquement sur la diffusion des ions, Henry voit des applications dans les réactions chimiques, transformations de phases, et d'autres phénomènes dépendant de la température.

"Notre groupe est fasciné par l'idée que vous puissiez catalyser toutes sortes de choses maintenant que nous avons la technique pour déterminer quels phonons comptent, " dit Henry. " Toutes ces réactions qui nécessitent généralement des températures extrêmes pourraient maintenant se produire à température ambiante. "

Henry et son équipe ont commencé à explorer des applications potentielles pour la catalyse phononique. Gordiz a étudié l'utilisation de la méthode pour les conducteurs superioniques au lithium, qui pourrait être utilisé dans le stockage d'énergie propre. L'équipe envisage également des applications telles qu'un supraconducteur à température ambiante ou encore la création de diamants, qui nécessitent une pression et des températures extrêmement élevées qui pourraient être déclenchées à des températures beaucoup plus basses par catalyse phononique.

"Cette idée d'excitation sélective, se concentrer uniquement sur les pièces dont vous avez besoin plutôt que sur tout, pourrait être un très grand changement de paradigme pour la façon dont nous opérons les choses, " dit Henry. "Nous devons commencer à penser à la température comme un spectre et pas seulement un nombre unique."

Les chercheurs prévoient de montrer plus d'exemples d'excitation de phonons ciblée fonctionnant dans différents matériaux. Avancer, ils espèrent démontrer que leur modèle informatique fonctionne expérimentalement dans ces matériaux.

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.