L’électrolyte de batterie à semi-conducteurs constitue un conducteur lithium-ion rapide – Physics World

Des chercheurs de l'Université de Liverpool, au Royaume-Uni, ont développé un nouvel électrolyte de batterie à semi-conducteurs qui conduit les ions lithium si rapidement qu'il pourrait rivaliser avec les électrolytes liquides présents dans les batteries lithium-ion omniprésentes d'aujourd'hui. Cette conductivité élevée des ions lithium est une condition préalable au stockage d'énergie rechargeable, mais elle est inhabituelle dans les solides, qui autrement sont attrayant pour les batteries car elles sont plus sûres et plus rapides à charger.

Le nouvel électrolyte a la formule chimique Li₇Si₂S₇I et contient des ions sulfure et iodure ordonnés disposés dans une structure hexagonale et cubique serrée. Cette structure rend le matériau hautement conducteur car elle facilite le mouvement des ions lithium dans les trois dimensions. "On pourrait l'envisager comme une structure qui permet aux ions lithium d'avoir plus d'options parmi lesquelles choisir pour se déplacer, ce qui signifie qu'ils sont moins susceptibles de rester coincés", explique Matt Rosseinsky, Chimiste de Liverpool qui a mené la recherche.

Le bon matériau avec les bonnes propriétés

Pour identifier un matériau facilitant cette liberté de mouvement, Rosseinsky et ses collègues ont utilisé une combinaison d’outils d’intelligence artificielle (IA) et de prédiction de la structure cristalline. "Notre idée originale était de créer une nouvelle famille structurelle de conducteurs ioniques inspirée des structures cristallines complexes et diverses de matériaux intermétalliques, tels que NiZr, afin de générer un large éventail de sites potentiels entre lesquels les ions lithium peuvent se déplacer", Rosseinsky explique. L’IA et d’autres outils logiciels ont aidé l’équipe à savoir où chercher, même si « les décisions finales étaient toujours prises par les chercheurs et non par le logiciel ».

Après avoir synthétisé le matériau dans leur laboratoire, les chercheurs ont déterminé sa structure grâce à des techniques de diffraction et sa conductivité lithium-ion grâce à des mesures de RMN et de transport électrique. Ils ont ensuite démontré expérimentalement l’efficacité de la conductivité du lithium-ion en intégrant le matériau dans une cellule de batterie.

Explorer une chimie inexplorée

Les recherches de Rosseinsky se concentrent sur la conception et la découverte de matériaux pour soutenir une transition vers des formes d'énergie plus durables. Ce type de recherche implique une grande variété de techniques, notamment des méthodes numériques et automatisées, la synthèse exploratoire de matériaux dotés de nouvelles structures et liaisons, ainsi que la synthèse ciblée de matériaux ayant des applications réelles. «Notre étude a rassemblé toutes ces directions», dit-il.

Il est difficile de découvrir des matériaux différents de ceux connus, ajoute Rosseinsky, notamment parce que tout matériau candidat doit être réalisé expérimentalement en laboratoire. Une fois que lui et ses collègues ont déterminé la chimie synthétique d’un matériau, ils doivent ensuite mesurer ses propriétés électroniques et structurelles. Cela nécessite inévitablement des recherches interdisciplinaires : dans le présent travail, Rosseinsky s'est associé à des collègues du Usine d’innovation en matériaux, Centre de recherche Leverhulme pour la conception de matériaux fonctionnels, Institut Stephenson pour les énergies renouvelables et par Centre Albert Crewe et école d'ingénierie ainsi que le sien Département de Chimie.

Applicable au domaine plus large de la recherche sur les batteries

Le processus développé par l’équipe, détaillé dans Sciences, pourrait être applicable dans tout le domaine de la recherche sur les batteries et au-delà, dit Rosseinsky. "Les connaissances acquises dans nos travaux sur la manière de favoriser le mouvement rapide des ions dans les solides sont pertinentes pour des matériaux autres que ceux utilisés dans les batteries lithium-ion et peuvent être généralisées à d'autres techniques reposant sur des matériaux conducteurs d'ions", explique-t-il. Monde de la physique. "Cela inclut les matériaux conducteurs de protons ou d'ions oxydes et les piles à combustible ou électrolyseurs à semi-conducteurs pour la génération d'hydrogène, ainsi que les matériaux conducteurs de sodium et de magnésium dans les structures de batteries alternatives."

Les chercheurs disent que Li₇Si₂S₇I n'est probablement que le premier des nombreux nouveaux matériaux accessibles grâce à leur nouvelle approche. "Il y a donc beaucoup à faire pour définir quels matériaux peuvent être étudiés et comment leurs propriétés de transport d'ions sont liées à leurs structures et compositions", conclut Rosseinsky.

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• La source: https://physicsworld.com/a/solid-state-battery-electrolyte-makes-a-fast-lithium-ion-conductor/