Chloé Leroy
Une équipe de chercheurs de l’Université Duke et leurs collaborateurs ont découvert les mécanismes atomiques qui font d’une classe de composés appelés argyrodites des candidats attractifs pour les électrolytes de batterie à l’état solide et les convertisseurs d’énergie thermoélectrique.
Les découvertes – et l’approche d’apprentissage automatique utilisée pour les faire – pourraient aider à inaugurer une nouvelle ère de stockage d’énergie pour des applications telles que les murs de batterie domestiques et les véhicules électriques à recharge rapide.
Les résultats ont été publiés en ligne le 18 mai dans la revue Character Elements.
“C’est un casse-tête qui n’a jamais été résolu auparavant en raison de la taille et de la complexité de chaque élément constitutif du matériau”, a déclaré Olivier Delaire, professeur agrégé de génie mécanique et de science des matériaux à Duke. “Nous avons dévoilé les mécanismes au niveau atomique qui font de toute cette classe de matériaux un sujet brûlant dans le domaine de l’innovation des batteries à semi-conducteurs.”
Alors que le monde évolue vers un avenir fondé sur les énergies renouvelables, les chercheurs doivent développer de nouvelles technologies pour stocker et distribuer l’énergie aux maisons et aux véhicules électriques. Si le porte-drapeau jusqu’à présent a été la batterie lithium-ion contenant des électrolytes liquides, elle est loin d’être une answer idéale compte tenu de son efficacité relativement faible et de l’affinité de l’électrolyte liquide à s’enflammer et à exploser occasionnellement.
Ces constraints 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 qu’ils soient parfaits pour déplacer les prices électriques, le composant liquide les rend sensibles aux températures élevées qui peuvent provoquer une dégradation et, éventuellement, une catastrophe thermique galopante.
De nombreux laboratoires de recherche publics et privés dépensent beaucoup de temps et d’argent pour développer des batteries à semi-conducteurs alternate options à partir d’une variété de matériaux. Si elle est conçue correctement, cette approche offre un appareil beaucoup moreover sûr et in addition secure avec une densité d’énergie plus élevée – du moins en théorie.
Bien que personne n’ait encore découvert une approche commercialement feasible des batteries à l’état solide, l’un des principaux concurrents s’appuie sur une classe de composés appelés argyrodites, du nom d’un minéral contenant de l’argent. Ces composés sont construits à partir de charpentes cristallines spécifiques et stables composées de deux éléments avec un troisième libre de se déplacer dans la structure chimique. Alors que certaines recettes telles que l’argent, le germanium et le soufre existent naturellement, le cadre général est suffisamment adaptable pour que les chercheurs puissent créer un huge éventail de combinaisons.
“Chaque constructeur de véhicules électriques essaie de passer à de nouvelles conceptions de batteries à semi-conducteurs, mais aucun d’entre eux ne divulgue les compositions sur lesquelles il parie”, a déclaré Delaire. “Gagner cette study course changerait la donne car les voitures pourraient charger furthermore vite, durer additionally longtemps et être plus sûres à la fois.”
Dans le nouvel report, Delaire et ses collègues examinent un candidat prometteur composé d’argent, d’étain et de sélénium (Ag8SnSe6). En utilisant une combinaison de neutrons et de rayons X, les chercheurs ont fait rebondir ces particules extrêmement rapides sur des atomes dans des échantillons d’Ag8SnSe6 pour révéler son comportement moléculaire en temps réel. Le membre de l’équipe Mayanak Gupta, un ancien article-doctorant du laboratoire de Delaire qui est maintenant chercheur au Bhabha Atomic Study Centre en Inde, a également développé une approche d’apprentissage automatique pour donner un sens aux données et a créé un modèle informatique pour faire correspondre les observations en utilisant les premiers principes simulations mécaniques quantiques.
Les résultats ont montré que si les atomes d’étain et de sélénium créaient un échafaudage relativement secure, il était loin d’être statique. La composition cristalline fléchit constamment pour créer des fenêtres et des canaux permettant aux ions d’argent chargés de se déplacer librement à travers le matériau. Le système, a déclaré Delaire, est comme si les réseaux d’étain et de sélénium restent solides tandis que l’argent est dans un état presque liquide.
“C’est un peu comme si les atomes d’argent étaient des billes qui cliquetaient au fond d’un puits très peu profond, se déplaçant comme si l’échafaudage cristallin n’était pas solide”, a déclaré Delaire. “Cette dualité d’un matériau vivant à la fois à l’état liquide et à l’état solide est ce que j’ai trouvé le additionally surprenant.”
Les résultats et, peut-être as well as significant encore, l’approche combinant la spectroscopie expérimentale avancée avec l’apprentissage automatique, devraient aider les chercheurs à progresser as well as rapidement vers le remplacement des batteries lithium-ion dans de nombreuses apps cruciales. Selon Delaire, cette étude n’est que l’un d’une série de projets visant une variété de composés d’argyrodite prometteurs comprenant différentes recettes. Une combinaison qui remplace l’argent par du lithium intéresse particulièrement le groupe, compte tenu de son potentiel pour les batteries de véhicules électriques.
“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”, a déclaré Delaire. “Cette étude sert à comparer notre approche d’apprentissage automatique qui a permis d’énormes progrès dans notre capacité à simuler ces matériaux en seulement quelques années. Je pense que cela nous permettra de simuler rapidement de nouveaux composés virtuellement pour trouver les meilleures recettes que ces composés doivent utiliser. offre.”
Ce travail a été soutenu par la Guangdong Fundamental and Utilized Standard Exploration Foundation (2021B1515140014), la National Normal Science Foundation of China (52101236, U1732154, T2125008, 52272006), l’Institute of Superior Electricity Physics, Chinese Academy of Science (E15154U110), le Projet ouvert du Crucial Laboratory of Artificial Constructions and Quantum Control (2021-05), de la US Nationwide Science Foundation (DMR-2119273), du “Shuguang Plan” de la Shanghai Schooling Development Basis et de la Shanghai Municipal Education Fee, de l’Australia Investigation Council ( DP210101436).
