À mesure que les appareils deviennent plus petits et plus puissants, ils nécessitent plus rapidement, plus petite, batteries plus stables. Des chimistes de l'Université de l'Illinois ont développé un solide superionique qui pourrait être la base des batteries lithium-ion de prochaine génération.

Le professeur de chimie Prashant Jain et les étudiants diplômés Sarah White et Progna Banerjee ont décrit le matériau - des nanoclusters ultrapetits de séléniure de cuivre - dans le journal Communication Nature .

« Maintenant que nous assistons à ce boom de la nanoélectronique, nous avons besoin de petites piles qui peuvent être mises sur une puce, et cela ne peut pas arriver avec les électrolytes liquides, " a déclaré Jain. "Nous utilisons des matériaux nanostructurés pour obtenir les propriétés au cœur de la technologie lithium-ion. Ils ont beaucoup plus de stabilité thermique et mécanique, il n'y a pas de problèmes de fuite, et nous pouvons fabriquer des couches d'électrolyte extrêmement fines afin de pouvoir miniaturiser les batteries."

Les batteries lithium-ion standard et autres batteries ioniques sont remplies d'un électrolyte liquide à travers lequel les ions lithium se déplacent. Les ions circulent dans une direction lorsque la batterie est utilisée, et la direction opposée lorsque la batterie est chargée. Cependant, les électrolytes liquides présentent plusieurs inconvénients :Ils nécessitent du volume, se dégrader au fur et à mesure que la batterie cycle, fuient et sont hautement inflammables, qui a conduit à des explosions de téléphones, ordinateurs portables et autres appareils. Bien que les électrolytes solides soient considérablement plus stables, les ions les traversent beaucoup plus lentement, les rendant moins efficaces pour les applications de batterie.

L'électrolyte nanocluster de séléniure de cuivre combine le meilleur des électrolytes liquides et solides :il a la stabilité d'un solide, mais les ions s'y déplacent facilement comme un liquide. Le séléniure de cuivre est connu pour être superionique à haute température, mais les minuscules nanoclusters sont la première démonstration que le matériau est superionique à température ambiante.

Les chercheurs ont découvert cette propriété superionique par accident en étudiant la réactivité de surface du séléniure de cuivre. Ils ont remarqué que les nanoclusters ultrapetits - environ 2 nanomètres de diamètre - étaient très différents des nanoparticules de séléniure de cuivre plus grandes au microscope électronique.

"C'était notre premier indice qu'ils ont des structures différentes, " Jain a dit. "Nous avons enquêté plus loin, et nous avons réalisé que ces petits amas sont en fait semi-liquides à température ambiante."

La raison du semi-liquide, la propriété superionique est la structure particulière des nanoclusters, dit Jain. Les ions sélénium beaucoup plus gros forment un réseau cristallin, tandis que les plus petits ions de cuivre se déplacent autour d'eux comme un liquide. Cette structure cristalline est le résultat d'une contrainte interne dans les amas.

"Avec environ 100 atomes, ces nanoclusters sont juste à l'interface des molécules et des nanoparticules, " Jain a dit. " En ce moment, l'important est de faire en sorte que chaque nanoparticule d'un échantillon ait exactement la même taille et la même forme. Il s'avère qu'avec ces clusters, chaque cluster est exactement la même structure. En quelque sorte, à cette taille, la structure électronique du matériau est si stable que chaque amas a le même arrangement d'atomes."

Les chercheurs travaillent à incorporer les nanoclusters dans une batterie, mesurer la conductivité des ions lithium et comparer les performances avec les électrolytes solides et les électrolytes liquides existants.