Une équipe de chercheurs de l’Université Duke (USA), en collaboration avec d’autres scientifiques, ont déchiffré les mécanismes atomiques qui font des composés d’une catégorie nommée argyrodites, des candidats prometteurs pour les électrolytes de batteries solides et les convertisseurs thermoélectriques.
Ces découvertes, et l’approche d’apprentissage automatique utilisée pour les réaliser, pourraient préparer l’avènement d’une nouvelle ère de stockage d’énergie pour des applications telles que les batteries domestiques et les véhicules électriques à charge rapide.
Olivier Delaire, professeur associé de génie mécanique et de science des matériaux à Duke, a déclaré : « C’est une énigme qui n’a jamais été résolue auparavant en raison de la taille et de la complexité de chaque bloc de construction du matériau. Nous avons démêlé les mécanismes au niveau atomique qui font de cette classe de matériaux un sujet brûlant dans le domaine de l’innovation des batteries solides. »
Alors que le monde se tourne vers un avenir fondé sur les énergies renouvelables, les chercheurs doivent développer de nouvelles technologies pour stocker et distribuer l’énergie aux foyers et aux véhicules électriques. La batterie lithium-ion, contenant des électrolytes liquides, a été le modèle standard jusqu’à présent, mais n’est pas une solution idéale en raison de son efficacité relativement faible et de la tendance de l’électrolyte liquide à s’enflammer et à exploser.
Ces limitations proviennent principalement des électrolytes liquides chimiquement réactifs à l’intérieur des batteries Li-ion, qui permettent aux ions lithium de se déplacer relativement librement entre les électrodes. Bien que cette mobilité soit excellente pour le transport des charges électriques, la composante liquide les rend sensibles aux températures élevées pouvant causer leur dégradation et, finalement, une catastrophe thermique.
De nombreux laboratoires de recherche publics et privés consacrent beaucoup de temps et d’argent à développer des batteries solides alternatives à partir de divers matériaux. Si cette approche est correctement mise en œuvre, elle offre un dispositif beaucoup plus sûr et plus stable, avec une densité énergétique plus élevée – du moins en théorie.
Parmi les approches potentielles pour les batteries solides, l’une des plus prometteuses repose sur une classe de composés appelés argyrodites, nommées d’après un minéral contenant de l’argent. Ces composés sont construits à partir de cadres cristallins spécifiques et stables, composés de deux éléments, avec un troisième libre de se déplacer dans la structure chimique.
Olivier Delaire a ajouté : « Chaque constructeur de véhicules électriques tente de passer à de nouvelles conceptions de batteries solides, mais aucun d’entre eux ne révèle sur quelles compositions ils parient. Remporter cette course serait une véritable révolution car les voitures pourraient se charger plus rapidement, durer plus longtemps et être plus sûres à la fois. »
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Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont examiné un candidat prometteur composé d’argent, d’étain et de sélénium (Ag8SnSe6). À l’aide d’une combinaison de neutrons et de rayons X, ils ont révélé le comportement moléculaire de Ag8SnSe6 en temps réel.
Mayanak Gupta, ancien postdoctorant dans le laboratoire de Delaire et actuellement chercheur au Bhabha Atomic Research Center en Inde, a également développé une approche d’apprentissage automatique pour analyser les données et a créé un modèle informatique correspondant aux observations à l’aide de simulations mécaniques quantiques de premiers principes.
Les résultats ont montré que, tandis que les atomes d’étain et de sélénium créent une structure relativement stable, celle-ci est loin d’être statique. La structure cristalline se plie constamment pour créer des fenêtres et des canaux permettant aux ions d’argent chargés de se déplacer librement à travers le matériau. « C’est un peu comme si les atomes d’argent étaient des billes qui se balançaient au fond d’un puits très peu profond, se déplaçant comme si le treillis cristallin n’était pas solide », a déclaré Delaire. « Cette dualité d’un matériau qui vit à la fois dans un état liquide et solide est ce qui m’a le plus surpris. »
Selon Delaire, ces résultats, et peut-être plus important encore, l’approche combinant une spectroscopie expérimentale avancée avec l’apprentissage automatique, devraient aider les chercheurs à faire des progrès plus rapides dans le remplacement des batteries lithium-ion dans de nombreuses applications cruciales. Il a ajouté : « Beaucoup de ces matériaux offrent une conduction très rapide pour les batteries tout en étant de bons isolants thermiques pour les convertisseurs thermoélectriques, nous examinons donc systématiquement toute la famille de composés. Cette étude sert de référence à notre approche d’apprentissage automatique qui a permis d’énormes avancées dans notre capacité à simuler ces matériaux en seulement quelques années. Je crois que cela nous permettra de simuler rapidement de nouveaux composés virtuellement pour trouver les meilleures recettes que ces composés ont à offrir. »
L’étude a été publiée en ligne le 18 mai dans la revue Nature Materials.
“Extreme Phonon Anharmonicity Underpins Superionic Diffusion and Ultralow Thermal Conductivity in Argyrodite Ag8SnSe6” Qingyong Ren, Mayanak K. Gupta, Min Jin, Jingxuan Ding, Jiangtao Wu, Zhiwei Chen, Siqi Lin, Oscar Fabelo, Jose Alberto Rodríguez-Velamazán, Maiko Kofu, Kenji Nakajima, Marcell Wolf, Fengfeng Zhu, Jianli Wang, Zhenxiang Cheng, Guohua Wang, Xin Tong, Yanzhong Pei, Olivier Delaire, Jie Ma. Nature Materials, May 18, 2023. DOI: 10.1038/s41563-023-01560-x
Légende illustration : Illustration de la structure atomique hybride cristalline-liquide dans la phase superionique de Ag8SnSe6 – un matériau très prometteur pour la mise au point de batteries commerciales à l’état solide. Les filaments en forme de tube montrent la distribution liquide des ions d’argent qui circulent à travers l’échafaudage cristallin d’atomes d’étain et de sélénium (bleu et orange). Crédit : Olivier Delaire, Duke University
