Un nouveau matériau d’électrolyte améliore la sécurité et les performances des batteries Li
Une solide combinaison de lithium, de bore et de soufre pourrait aider les scientifiques à construire de meilleures batteries pour les appareils et les véhicules électriques.
L’une des raisons pour lesquelles les batteries lithium-ion peuvent prendre feu ou exploser est due au matériau liquide qu’elles contiennent. Les chercheurs de l’Université de Stanford pensent maintenant qu’ils peuvent résoudre ce problème en utilisant une nouvelle classe de matériaux solides qu’ils ont découverts et qui peuvent remplacer les électrolytes liquides dans les conceptions de batteries.
Une équipe de scientifiques du département des sciences et de l’ingénierie des matériaux de l’Université de Stanford a identifié les matériaux à faible coût – composés de lithium, de bore et de soufre – qui ont le potentiel de rendre les batteries pour tout, des smartphones aux ordinateurs portables en passant par les véhicules électriques (VE), plus sûres. a déclaré Austin Sendek, chercheur invité au département des sciences et de l’ingénierie des matériaux de Stanford qui a travaillé sur le projet.
« Une batterie lithium-ion typique a deux électrodes solides avec un électrolyte liquide hautement inflammable entre les deux », a-t-il déclaré dans un communiqué de presse. « Notre objectif est de concevoir des électrolytes solides stables et peu coûteux qui augmentent également la puissance et la production d’énergie de la batterie. »
Les scientifiques ont longtemps envisagé l’utilisation d’électrolytes solides dans les batteries, non seulement comme une option plus sûre, mais aussi comme ayant le potentiel de fournir des batteries qui durent plus longtemps et sont plus denses en énergie.
Vérification des options
Cependant, le défi a été d’identifier des matériaux bien adaptés à une utilisation dans ces composants car la plupart des électrolytes solides utilisés aujourd’hui sont trop instables, inefficaces et coûteux pour être commercialement viables.
L’équipe s’est tournée vers la modélisation informatique pour aider à identifier des candidats prometteurs pour un électrolyte solide, en utilisant un algorithme informatique Sendek et ses collègues formés en 2016 pour cribler plus de 12 000 composés contenant du lithium dans une base de données de matériaux.
« La découverte de la plupart des nouveaux matériaux à ce jour a été accomplie par des recherches par essais et erreurs inefficaces », a-t-il déclaré dans un communiqué de presse. L’approche de l’équipe montre comment une approche d’apprentissage automatique peut accélérer l’identification de solutions en chimie des matériaux, a noté Sendek.
Les chercheurs avaient le choix entre environ 20 matériaux dans les minutes qui ont suivi l’exécution de leurs modèles informatiques, dont quatre qui n’étaient pas bien connus du groupe et qui étaient compromis en lithium, bore et soufre.
Ce sont les composés sur lesquels l’équipe s’est concentrée, testant leur potentiel d’utilisation comme électrolytes solides en utilisant ce qu’on appelle la théorie fonctionnelle de la densité, qui simule le comportement des matériaux au niveau atomique.
Évaluation des résultats
Ce qu’ils ont appris, c’est que les matériaux ont la capacité d’être environ deux fois plus stables que les principaux électrolytes solides, un facteur qui peut avoir un impact sur la quantité d’énergie par unité de poids qu’une batterie peut stocker. Dans les véhicules électriques, par exemple, cela peut signifier une autonomie plus longue.
« Les Tesla et autres voitures électriques peuvent parcourir 250 à 300 miles avec une seule charge », a-t-il déclaré dans un communiqué de presse. « Mais avec un électrolyte solide, vous pourriez potentiellement doubler la densité énergétique des batteries lithium-ion et atteindre cette autonomie au-dessus de 500 miles – et peut-être même commencer à penser au vol électrique. »
Amélioration des performances
Un autre avantage pour les matériaux dans les études théoriques a montré que lorsqu’ils étaient mélangés, les composés continueraient à fonctionner même s’ils se décomposaient, ce qui signifierait moins de dégradation des performances de la batterie au fil du temps.
De plus, les recherches de l’équipe ont également prédit que certaines phases des matériaux pourraient conduire trois fois mieux les ions lithium que les électrolytes solides de pointe fabriqués avec du germanium coûteux. Un kilogramme de germanium coûte environ 500 $; tandis que le lithium, le bore et le soufre ont un prix de 26 $ le kilogramme.
Cette conductivité améliorée renforcerait le flux de courant de la batterie, et « plus de courant signifie plus de puissance pour accélérer votre voiture », a-t-il déclaré.
Les chercheurs ont publié leurs résultats dans la revue Matériaux et interfaces appliqués ACS.
À l’heure actuelle, l’étude de Stanford ne fournit qu’une feuille de route théorique pour les recherches futures. Cependant, les chercheurs prévoient de synthétiser les quatre matériaux lithium-bore-soufre et de les tester dans une batterie comme prochaine étape pour prouver la viabilité des électrolytes.
Sendek ne s’attend pas à ce que ce soit une tâche facile, mais il est nécessaire de bien comprendre comment les matériaux se comporteront dans de vrais appareils pour faire évoluer la recherche.
